塑料的磨損類別與機理(7.2)

　　塑料的蠕變特性

　　各種材料都有不同程度的蠕變，但以聚合物材料最為顯著，在常溫下就會發生明顯的蠕變，而金屬材料在高溫下才會發生，蠕變是高分子材料在恒定外力持續作用下，形變隨時間推移逐漸增加的現象。蠕變的類型由外力的類型決定，可以有彎曲蠕變、扭轉蠕變、拉伸蠕變及壓縮蠕變等。以壓縮蠕變為例，如某試塊受到恒定壓負荷，t1時間測得試塊的壓縮變形量為e1，經過一段時間后，變形量增大為e2,變形量隨著力作用的時間延長而增加，聚四氟乙烯具有許多優異性能，正得到越來越廣泛的應用，但它的蠕變現象很嚴重，具有典型性。

　　我們曾對填充聚四氟乙烯滑動導軌軟帶進行壓縮蠕變試驗。試驗時環境溫度是26±1.5℃，壓力為0.39MPa，測得國產軟帶（4FJ1、4FJ2-B）及美國、日本出產的同類軟帶，在加壓1h和過24h后的變形量，列于下表。

填充聚四氟乙烯軟帶壓縮變形

　　在另一項試驗中，聚四氟乙烯軟帶上寬10mm的壓痕，過四年以后實測時，寬度竟變為9mm了。

　　根據大量試驗，可以描述聚四氟乙烯受壓變形的規律如圖1.2-3所示。由這副圖可以看到，當它受外力壓縮時，首先產生瞬時壓縮變形，這是蠕變的第一階段，稱為瞬時變形階段，這一階段延續時間極短。在扭力沒有去除也沒有增大的情況下，隨著時間的推移，變形不斷增加，變量逐漸趨于恒定，這是蠕變的第二階段，稱為蠕變的穩定階段。如果溫度和壓力不變，這一階段的蠕變規律是不變的。通常說的塑料的蠕變，主要是指這個階段。除去負荷后，材料立即有一個瞬時回彈，尺寸有所回復，之后有一段緩慢的滯后回復，最后逐漸趨于恒定，但不能完全回復至原有尺寸，剰下的這部分變形量稱為永久變形，如果環境溫度與載荷量足以使材料發生破壞，在破壞前會有一個變形急驟增加的階段，一般稱為蠕變的第三階段。

　　很顯然，外力是蠕變的主要外部原因；負荷越大，蠕變量也越大。溫度對蠕變影響也極大。

　　與其它磨損一樣，蠕變也是使摩擦副喪失尺寸精度的一個原。因此，深入了解高分子材料的蠕變現象及其規律、機理，對于在摩擦系統中正確使用工程塑料，擁高它們的尺寸精度與保持精度具有重要意義。

　　在高分子材料的受力變形過程中，既有服從虎克定律的彈性變形，又有與外力作用時間有關的蠕變，因而可以用粘彈性力學來分析這樣的受力變形過程。馬克斯維爾-凱爾維模型，較全面地反映了材料的力學特性，接近于實際情況。它既考慮了瞬時彈性變形、粘性流動，還包括延遲彈性變形。

　　大多數材料都在穩定蠕變階段使用，在這期間磨損與蠕變同時存在。

　　在工程實際應用中，根據理論指導與實驗結果，在穩定蠕變階段，蠕變與時間關系可以用一個簡單的公式表達：ε_t=ε₁tβ

　　式中ε_t——時間t的變形量；
　　ε₁——單位時間的變形量；
　　β——材料的蠕變指數。

　　根據這一關系式，如果測得某種材料在一定溫度下的二個蠕變量，就可以算出材料的蠕變指數，并可以預測長期使用中任一時間的蠕變量。用這一公式對表2.3-3中的數據進行計算，厚度為0.357mm的聚四氟乙烯軟帶，在一年后與五年后的預測變形量如表2.3-4所示。由表可知，在壓力，溫度不變的條件下，假定沒有材料損失，軟帶的厚度減少了。這個減少的量無論在試驗中或在工程實際中，都被計入磨損量中。這是一個與材料的彈性壓縮不同的量。

表2.3-4填充聚四氟乙烯軟帶壓縮蠕變預測（μm）

　　聚合物蠕變的機理是大分子結構在外力長期作用下，逐漸發生構象和位移的變化。因為，高分子材料的力學性能是其微觀分子運動的宏現反映。

　　低分子物質，按其質點（指分子、原子或離子）的排列是否規則有序，分為晶體和非晶體。聚合物也一樣。但是，大分子的體積龐大，分子結構又不規整，分子間力大（粘度大）運動性差，很不容易得到像低分子物質那樣完整的結晶體，一般都只能部分結晶，另一部分則呈無規則、扭曲纏結狀態。

　　結晶使得分子形成密集狀態增強了分子間的作用力，使高聚物的強度，剛度、硬度、耐熱性、熔點、密度等均有提高，但卻使與鏈運動有關的性能，如彈性斷裂、伸長率以及抗沖擊強度等有所下降。無規則、卷曲纏繞的大分子則是彈性的來源。當受到外力時，這些大分子順應地伸展。但因為大分子間傳遞力的過程較為緩慢，受力一段時間后，它們才能達到順應外力作用應有的某些卷曲狀態，于是發生了蠕變現象。

　　當外力去除后，晶體部分的變形立即恢復原狀，材料得到彈性回復；非晶體部分將遂漸轉為另一種雜亂的卷曲狀態。

　　通常高聚物的力學性能一般總是晶態的優于非晶態的；結晶度高的優于結晶度低的。蠕變量與蠕變速率也隨結晶度增如而降低。

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