CN1137638A - 固体材料滑动摩擦系数精密测定法 - Google Patents

Abstract

本发明是测定固体材料特别是聚合物材料在低速、低负荷及相对惰性接触面上精密滑动摩擦系数的一种方法。主要用于对固体摩擦材料的摩擦系数的准确测定。本发明的特点在于将复杂的摩擦过程减化为二点极值平均法，准确的给出材料在给定条件下的摩擦系数值。本发明为摩擦材料表面的基础和应用研究，提供了一种可信度高、重复性极好的摩擦系数精密测定方法；并为摩擦材料试验机的设计及利用提供了新的途径及理论依据。

Description

固体材料滑动摩擦系数精密测定法

本发明涉及一种精密测定固体摩擦材料摩擦系数的方法。它适用于各种固体材料，尤其适用于聚合物类材料。

摩擦系数作为摩擦材料的一个重要参数，是评价材料减摩自润滑性能的唯一标准。但由于摩擦系数受接触面温度、接触应力、相对滑动速度、表面粗糙度以及接触表面间相互物化反应等因素的影响，因而，根据现有摩擦试验机的测试条件及对样品形状的要求，其测定的均是摩擦系数的平均值。该值通常是材料摩擦系数的稳态平均值且在摩擦曲线图上呈一定宽度，它所反映的是界面温度、应力、相对滑动速度、表面粗糙度及二体表面物化反应等综合作用结果。当不同材料进行摩擦性能相互比较时，由于上述诸因素的作用程度不同，因而所比较的量只是在一定条件下多种因素综合影响结果。因此，摩擦系数还不能完全作为材料的真实特性来评定。

为得到可相互比较的摩擦系数，则必须将上述因素的影响降至最低，甚至可忽略不计的程度。在极低速度和低负荷条件下测定材料的滑动摩擦系数，Tabor等认为可将温度效应、应力应变效应、相对滑动速度的影响忽略不计。许多研究结果均表明，当负荷及速度很低时，对偶面会形成一极薄的转移膜，转移膜的厚度在纳米(nm)量级，例如PTFE在不锈钢的表面上的转移膜厚度仅为0.06～0.08nm。因而，可以认为接触表面上很快达到物化反应平衡。此时对摩擦系数影响的关键因素则在于材料表面粗糙度。在低速、低负荷及低温条件下测定的材料摩擦系数是材料真实摩擦系数同粗糙度影响因子之和。由于材料表面起伏无规律，微凸体形状无规律，当摩擦对偶滑过或跨过微凸体时就造成了摩擦系数的起伏变化无常。因而用平均值方法来计算呈一定宽度的摩擦系数在某种程度上讲是不精确的。

本发明的目的在于提供一种能够精确反映材料性能的摩擦系数测定方法。

本发明的目的是通过下述方法来实现的：

一种固体材料滑动摩擦系数测定方法，它包括下列步骤：

(1)在被测样品的被测面上，原始成型或加工出凹弧槽，凹弧槽的宽度应小于弧槽曲率半径，即弧槽边缘到弧的圆心与到另一边缘的夹角θ应满足60°＜θ＜90°；

(2)用对偶球作为上试样，其半径小于凹弧槽曲率半径；

(3)在保证所加负荷的应力小于被测样品成型应力(对聚合物材料而言)或塑性形变应力(对弹性材料而言)的条件下，使球以低于1.0厘米/秒的水平速度从样品平面运动到弧面再进入平面进行接触滑动；

(4)通过单向或双向往复运动，在能够保持恒定水平速度的测定样品滑动摩擦系数的试验机上，双向完整的记录摩擦系数变化。

(5)计算测量结果

上述测试方法的优选测试条件为：

凹弧槽曲率半径R：＞3毫米

对偶球曲率半径r：0.5～2.5毫米

负荷：           0.1～1.5牛顿

水平滑动速度：   0.1～2.0毫米/秒

图1为摩擦原理图

图2为摩擦系数谱图

下面结合各附图详细说明本发明的实施方案。

图1为本发明的测量原理图。在被测固体表面成型一曲率半径为R的水平圆弧槽，槽宽为L。上试样为球，其曲率半径为r，且有R＞r，圆弧槽与被测样品表面的边界线为a和b。N为弧面对球r的支承力，G为所加载荷，f为摩擦力。当球r滑动到圆弧边缘a点时，球面与a点发生相对滑动，可以看作是a在球r表面滑动，此时摩擦力的方向及大小均发生连续变化，也就是正压力N的方向向圆弧的圆心逐渐倾斜且大小随倾斜程度的增加而变小。当圆弧圆心、球r的球心及a点三点成一条线时，此时N最小，f也最小。按受力分析可知：Fa＝fa sinθ-Na cosθ。

F是仪器显示摩擦系数的依据。这是因为水平方向上为匀速直线运动，该方向上合外力为O。水平条件时F＝f，进入圆弧后又出现了N cosθ分量。仪器测量值实际上是μ_a＝Fa/G，而不是真实值μ_o＝Fa/Na。所以在a点附近有：μ_a＝(fa sinθ-Na cosθ)/G由此式还可看出，由fa、Na及θ的相互关系，μ_a有可能出现负值，即反向摩擦力，这已在试验中得到证实。

当球滑动到b点时则有：μ_b＝(fb sinθ+N_b cosθ)/G从整个过程来看，μ_a最小，μ_b最大。且摩擦系数连续变化。

设μ为材料的平面滑动摩擦系数，则根据数学推导可得到： $\frac{\mathrm{Fa}+\mathrm{Fb}}{2G}=(1+\frac{{(R-r)}^2{V_o}^2}{(y_o-r\sin \mathrm{\θ}{)}^{3}g})\frac{\mathrm{\μ}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\μ}}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$ 其中g为重力加速度，y_o是圆弧圆心到平面的高度。令

则有： $\frac{\mathrm{Fa}+\mathrm{Fb}}{2G}=\frac{{\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_b}{2}=\left(\frac{1+A}{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\μ}}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}\right)\mathrm{\μ}$ ，利用该方程对μ求解，并将负值去掉。

在低速、θ＞60°条件下，A→0，μ²cos²θ→0则有： $\frac{{\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_b}{2}=\frac{\mathrm{\μ}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}$ $\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_b}{2}{\sin }^2\mathrm{\θ}$

根据这一原理可知，摩擦系数的测量只与a点及b点有关，而与过程无关。当a点及b点由于受应力较大而发生塑性变形后，只是圆弧边缘棱角钝化，该点附近的圆弧曲率并无明显变化，其影响只是μ_a略增、μ_b略小，μ并不受影响。从a点及b点的特点还可以看出，在该点附近，对偶球的运动形式是a点或b点沿球面从底部向上有微小的相对滑动，所以可认为第一次滑动时的μ_a及μ_b值反映的是对偶球新表面同样品的摩擦状况。

按上述原理及方法可绘出如图2所示的摩擦系数曲线图谱，根据谱图上摩擦系数的最大值和最小值并乘以修正因子即可得到被测样品的准确摩擦系数值。

由此可见，将微观无规粗糙面放大为宏观圆弧凹槽，并使摩擦系数的测量影响因素降至最低。用二点极值法替代平均测量法，不但真实地反映了材料对偶的摩擦特性，而且还提高了测量的准确性和重复性。

实施例1：

按传统工艺成型PTFE+30％石墨的聚合物复合材料。聚合物面上圆弧槽曲率半径为5mm，弧宽3.21mm。摩擦对偶球的半径为1.5mm，材料为GCr15。摩擦条件为：日本协和静动摩擦系数精密测量仪，滑动速度0.0295cm/s，负荷：0.5N，室温、干摩擦、单向往复，相对湿度61％。

从曲线图2可以看出，每次往复的摩擦系数曲线非常重合，甚至包括样品粗糙引起的摩擦系数跳跃。这说明，在该实验条件下各种因素的影响很小，可以忽略不计。计算可知：A＝1.2×10^-5，μ²cos²θ＜3.7×10^-4，sin²θ＝0.90。二次循环所测摩擦系数均为0.058。采用sin²θ修正，则样品摩擦系数为0.052。这种重复性是常规测试所不能达到的。

实施例2：

在低速低负荷条件下测定聚合物摩擦系数同滑动速度的关系。样品同上，摩擦条件为：日本协和静动摩擦系数精密测量仪，负荷0.5N，室温，干摩擦，相对湿度61％，换向往复。速度分别为：0.0295cm/s、0.0595cm/s、0.0895cm/s、0.1195cm/s、0.1495cm/s测定值由表一列出表一.不同滑动速度下PTFE+30％石墨的摩擦系数

(cm/s)速度：	0.0295	0.0595	0.0895	0.1195	0.1495
						μ测：	0.058	0.060	0.062	0.070	0.072
μ	0.052	0.054	0.056	0.063	0.065

测定表明，PTEE+30％石墨复合材料，在低速负荷下，其摩擦系数随速度的增加而增大。这同常规摩擦试验所测得的结果具有相似性。

实施例3

低速低负荷下聚合物摩擦系数同负荷的关系。材料同上，摩擦条件：日本协和静动摩擦系数精密测量仪，速度0.0595cm/s，室温、干摩擦、相对湿度为61％，换向往复。负荷分别为：0.5N、1N、2N、3N。测定结果列于表二。

表二.不同负荷下PTFE+30％石墨的摩擦系数

负荷	0.5N	1N	2N	3N
					μ测	0.060	0.060	0.063	0.065
μ	0.54	0.54	0.057	0.059

在低速低负荷下，通常认为负荷对聚合物材料的摩擦系数没有影响，只是在高负荷下，随负荷的增加聚合物摩擦系数会有所变化。我们的测试结果表明，极低负荷下摩擦系数不变，而增大到一定程度时摩擦系数略有增大。这说明聚合物相对较软，当负荷加大时，球压入聚合物的深度增加明显，摩擦犁削分量也就有所增加。

Claims (2)

1.一种固体材料滑动摩擦系数测定方法，其特征在于它包括下列步骤：

(1)在被测样品的被测面上，原始成型或加工出凹弧槽，凹弧槽的宽度应小于弧槽曲率半径，即弧槽边缘到弧的圆心与到另一边缘的夹角θ应满足60°＜θ＜90°，

(2)用对偶球作为上试样，其半径小于凹弧槽曲率半径，

(3)在保证所加负荷的应力小于被测样品成型应力或塑性形变应力的条件下，使球以低于1.0厘米/秒的水平速度从样品平面运动到弧面再进入平面进行接触滑动，

(4)通过单向或双向往复运动，在能够保持恒定水平速度的测定样品滑动摩擦系数的试验机上，双向完整的记录摩擦系数变化，

(5)计算测量结果。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于圆弧曲率半径R大于3毫米，对偶球曲率半径r为0.5～2.5毫米，负荷为0.1～1.5牛顿，滑动速度为0.1～2.0毫米/秒。

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