「材料磨損與耐磨材料(第3章磨粒磨損課件)（上課課件）」.ppt

第一篇材料磨損基礎(chǔ) Chapter1 材料的磨損Chapter2 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性Chapter3 材料的磨損機(jī)理 1 Chapter3 材料的磨損機(jī)理 3 1粘著磨損 3 2磨粒磨損 3 3腐蝕磨損 3 4疲勞磨損 3 5沖蝕磨損 3 6微動(dòng)磨損 2 3 2磨粒磨損 3 2 1磨粒磨損的概念 3 2 2磨粒磨損的分類 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 3 2 4磨粒磨損的影響因素 3 3 2 1磨粒磨損的概念 磨粒磨損是硬的磨 顆 ?；蛴驳耐钩鑫镌谂c摩擦表面相互接觸運(yùn)動(dòng)過程中 使表面材料發(fā)生損耗的一種現(xiàn)象或過程 4 硬顆?；蛲钩鑫镆话銥?非金屬材料 如石英砂 礦石等 也可能是金屬 如落入齒輪間的金屬屑等 磨粒磨損幾乎沒有一種是單一磨損機(jī)理引起的 經(jīng)常是多種磨損機(jī)制綜合作用的結(jié)果 而且隨著磨損條件的變化 可能從一種機(jī)制轉(zhuǎn)化為另一種機(jī)制 5 磨粒磨損Abrasion AbrasiveWear 的2個(gè)層次 粗糙表面上的硬微凸體對(duì)相對(duì)較軟的摩擦配副表面的劃傷 材料的工作表面隨硬質(zhì)顆粒的壓入和摩擦所造成的磨損 6 3 2磨粒磨損 3 2 1磨粒磨損的概念 3 2 2磨粒磨損的分類 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 3 2 4磨粒磨損的影響因素 7 3 2 2磨粒磨損的分類 磨粒磨損是一種常見的磨損形式 也是最重要的磨損類型 1 一般將磨粒磨損分為三大類 第一 低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損 如圖1 3 20 8 低應(yīng)力磨粒磨損 磨粒與材料表面間的作用力小于磨粒本身壓潰強(qiáng)度時(shí)的力 磨損結(jié)果是在材料表面只發(fā)生微小的劃痕 擦傷 既不使磨粒破碎又能使材料不斷流失的磨損方式 宏觀可見磨損表面比較光亮 高倍觀察可見微細(xì)的磨溝或微坑一類磨損 典型零件如農(nóng)機(jī)具的磨損 運(yùn)輸過程的溜槽 漏斗 料車等 9 3 2 2磨粒磨損的分類 第二 高應(yīng)力磨粒磨損也稱碎式磨粒磨損 如下圖所示 當(dāng)磨粒與材料之間接觸壓應(yīng)力大于磨粒的壓潰強(qiáng)度時(shí) 韌性材料產(chǎn)生塑性變形或疲勞 脆性材料則發(fā)生碎裂或剝落 磨損的磨粒在壓碎前 幾乎沒有滾動(dòng)和切削 對(duì)被磨表面的主要作用由接觸處集中壓應(yīng)力造成 10 對(duì)塑性材料 就像打硬度一樣 磨粒使材料表面發(fā)生塑性變形 許許多多 壓頭 對(duì)材料表面作用 使之發(fā)生不定向流動(dòng) 最后由疲勞而破壞 對(duì)于脆硬材料 幾乎不發(fā)生塑性流動(dòng) 磨損主要是脆性破裂的結(jié)果 典型零件是滾式破碎機(jī)中的輥輪等 見右圖 11 3 2 2磨粒磨損的分類 第三 鑿削式磨粒磨損 如圖所示 鑿削式磨損的產(chǎn)生主要由于磨粒中的磨粒包含大塊磨粒 而且具有尖銳棱角 對(duì)材料表面進(jìn)行高應(yīng)力和伴隨沖擊作用 使材料表面撕裂出很大的顆?；蛩閴K 被磨材料表面形成較深的犁溝或深坑 經(jīng)常在運(yùn)輸或破碎大塊磨粒時(shí)發(fā)生 12 請(qǐng)根據(jù)宏觀圖片辨別磨粒磨損的種類 并說明理由 1 2 3 4 5 6 13 3 2 2磨粒磨損的分類 2 根據(jù)使用條件 還有如下分類 沖擊磨粒磨損 磨粒 通常是塊狀 垂直或以一定的傾角落在材料表面上 其情況與沖蝕磨損相似 但局部應(yīng)力要高得多 沖蝕磨粒磨損 材料同含有固體顆粒的液體作相對(duì)運(yùn)動(dòng) 在表面造成的損耗 氣蝕 沖蝕磨粒磨損 固體同液體作相對(duì)運(yùn)動(dòng) 在氣泡破裂區(qū)產(chǎn)生高壓或高溫而引起的磨損 并伴有流體與磨粒的沖蝕作用 腐蝕磨粒磨損 同環(huán)境條件發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng) 而磨損是材料損失的主要原因 14 請(qǐng)根據(jù)宏觀圖片 結(jié)合工況 辨別磨粒磨損的種類 并說明理由 葉輪 密封環(huán) 15 3 2 2磨粒磨損的分類 3 根據(jù)接觸條件兩體磨粒磨損 顆粒直接作用于材料表面三體磨粒磨損 顆粒處于兩個(gè)被磨材料表面間 16 3 2 2磨粒磨損的分類 5 根據(jù)相對(duì)硬度軟磨粒磨粒磨損 Hm Ha 0 8硬磨粒磨粒磨損 Hm Ha 0 8a 磨粒m 材料 6 根據(jù)表面損傷形貌擦傷型磨粒磨損刮傷型磨粒磨損研磨型磨粒磨損鑿削型磨粒磨損犁皺型磨粒磨損微觀裂紋型磨粒磨損 7 根據(jù)磨損機(jī)理塑性變形磨粒磨損斷裂磨粒磨損 17 3 2磨粒磨損 3 2 1磨粒磨損的概念 3 2 2磨粒磨損的分類 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 3 2 4磨粒磨損的影響因素 18 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 1 磨粒磨損的簡化模型 Rabinowicz 拉賓諾維奇 在1966年提出磨粒磨損簡化模型 如下圖所示 并導(dǎo)出定量計(jì)算公式 模型計(jì)算的3個(gè)假設(shè) 材料不發(fā)生塑性變形 剛體 硬質(zhì)磨粒簡化為圓錐體磨損過程為簡單滑動(dòng) V 磨損體積r 磨粒圓錐體半徑x 磨粒壓入材料內(nèi)深度l L 滑動(dòng)距離 19 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 因?yàn)槟チ喝虢饘俨牧蟽?nèi)的深度 取決于壓力的大小和材料硬度的比值 所以 磨粒圓錐體夾角P 法向載荷 H 金屬材料的硬度 設(shè)屈服極限與硬度相等 則 20 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 令 21 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 Rabinowicz 拉賓諾維奇 模型物理意義 在一定磨粒條件下 單位距離內(nèi)磨損體積與施加載荷成正比 而與材料的硬度成反比 它與阿查德方程相似 即磨損量與載荷和滑動(dòng)距離成正比 而與被磨材料的硬度成反比 局限性 則 22 不是單個(gè) 而是多個(gè)磨粒共同作用材料發(fā)生塑性變形磨損過程中常常會(huì)伴隨有沖擊的作用 磨損環(huán)境的影響 溫度 濕度 腐蝕介質(zhì)等 局限性 實(shí)際情況是 23 磨粒磨損是硬的磨 顆 粒或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運(yùn)動(dòng)過程中 使表面材料發(fā)生損耗的一種現(xiàn)象或過程 2 磨粒磨損的機(jī)理 磨粒磨損機(jī)理是指零件表面材料和磨粒發(fā)生摩擦接觸后 材料是如何磨損的 即材料的磨屑是如何從表面脫落下來的 迄今為止未完全清楚 存在一些爭論 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 24 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 第一 微觀切削磨損機(jī)理磨粒在材料表面的作用力分為法向力和切向力兩個(gè)分力 法向力使磨粒壓入表面 切向力使磨粒向前推進(jìn) 當(dāng)磨粒形狀與運(yùn)動(dòng)方向適當(dāng)時(shí) 磨粒如同刀具一樣 在表面進(jìn)行切削形成切屑 但這種切削的寬度和深度都很小 因此切屑也很小 稱為微觀切削 25 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 在顯微鏡下觀察 這些微觀切屑仍具有機(jī)床上切屑的特點(diǎn) 即一面較光滑 另一面則有滑動(dòng)的臺(tái)階 有些還發(fā)生卷曲現(xiàn)象 微觀切削 26 27 微觀切削磨損是常見的一種磨損 特別是在固定磨粒磨損和鑿削式磨損中 它是材料表面磨損的主要機(jī)理 是否經(jīng)常發(fā)生呢 28 在某些條件下 切削磨損占整個(gè)磨損的比例很大 但通常磨粒和表面接觸時(shí)發(fā)生切削磨損的概率不大 其原因是 磨粒形狀較圓鈍 在犁溝過程中磨粒的棱角不是棱邊對(duì)著運(yùn)動(dòng)方向 磨粒和被磨材料表面之間的夾角 迎角 太小 表面材料塑性很高 29 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 在這些情況下 磨粒在表面滑過后 往往只能犁出一條溝來 而把材料推向兩邊和前面 不能切出切屑 特別是松散的磨粒 大致有90 磨粒發(fā)生滾動(dòng)接觸 只能壓出印痕 而形成犁溝的概率只有10 這樣切削的可能性更小 還有另一種情況 如沖擊角較大的沖蝕磨損 常在表面形成壓坑和在壓坑周圍被擠壓出唇狀凸緣 只能使表面發(fā)生塑性變形 而切削的分量更少 因此微觀切削是一種常見的 但概率較小的磨損機(jī)理 是否有一種其他的磨損機(jī)制 30 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 第二 多次塑變磨損機(jī)理在磨粒磨損中 當(dāng)磨?；^被磨材料表面時(shí) 除了切削外 大部分把材料推向兩邊或前緣 這些材料的塑性變形很大 但卻沒能脫離母體 在溝底及溝槽附近的材料也有較大的變形 犁溝時(shí)可能有一部分材料被切削形成切屑 一部分未被切削而在塑變后被推向兩側(cè)和前緣 若在犁溝時(shí)全部溝槽中的體積都被推向兩側(cè)和前緣而不產(chǎn)生切屑 則稱為犁皺 犁溝或犁皺后堆積在兩側(cè)和前緣的材料以及溝槽中的材料 在受到隨后的磨粒作用時(shí) 可能把已堆積的材料壓平 也可能使已變形的溝底材料再一次犁皺變形 如此反復(fù)塑變 導(dǎo)致材料產(chǎn)生加工硬化或其他強(qiáng)化作用最終剝落而成為磨屑 31 犁皺 32 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 當(dāng)磨粒的硬度超過零件表面材料的硬度時(shí) 在沖擊力的作用下 磨粒壓入材料表面 使材料發(fā)生塑性流動(dòng) 形成凹坑及其周圍的凸緣 當(dāng)?shù)诙w磨粒再壓入凹坑及其周圍的凸緣時(shí) 又重復(fù)發(fā)生塑性流動(dòng) 如此反復(fù)塑性變形和加工硬化 使材料逐漸硬化而脆性剝落成為切屑 分析這種磨損機(jī)理可知 材料多次塑性變形引起了材料晶格畸變 畸變力達(dá)到了材料不破壞其間的聯(lián)系則無法再改變其形狀的極限狀態(tài) 即材料不能再繼續(xù)變形和吸收能量 有些截面 當(dāng)外力不變時(shí) 由于應(yīng)力增長 集中 而逐漸喪失塑性并轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài) 在沖擊力作用下裂斷成磨屑 33 多次塑變磨損機(jī)理是否適合所有材料呢 在大量的觀察發(fā)現(xiàn) 一些脆性材料不適合塑性變形磨損機(jī)理的解釋 第三類磨損機(jī)制 34 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 微觀犁溝 第三 微觀斷裂磨損機(jī)理磨損時(shí)由于磨粒壓入被磨材料表面 大多數(shù)材料都會(huì)發(fā)生塑性變形 但有些材料尤其是脆性材料 可能是斷裂機(jī)理占主要地位 當(dāng)斷裂發(fā)生時(shí) 壓痕周圍的材料被磨損剝落 因此磨損比塑性材料大 脆性材料的壓痕斷裂 其外部條件決定于載荷大小 磨粒的形狀和尺寸以及周圍環(huán)境等 其內(nèi)部條件主要決定于材料的硬度和斷裂韌性等 35 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 在磨損試驗(yàn)中 若用球形壓頭 在彈性接觸下伸向材料內(nèi)部的裂紋往往形成斷裂 若用小曲率半徑的壓頭 常會(huì)變成彈 塑性變形 如果壓頭尖銳 則壓痕未達(dá)到臨界尺寸前不會(huì)發(fā)生斷裂 臨界尺寸隨著材料硬度的降低和斷裂韌性的提高而增大 這些靜態(tài)壓痕現(xiàn)象也定性地適合于滑動(dòng)情況 對(duì)多晶體脆性材料 即使壓痕尺寸小于臨界尺寸 也會(huì)發(fā)生次表面斷裂 對(duì)脆性材料 壓痕帶有明顯的表面裂紋 壓痕附近還有橫向裂紋 徑向裂紋 斷裂韌性低的材料裂紋較長 對(duì)磨粒磨損 當(dāng)橫向裂紋 徑向裂紋互相交叉或擴(kuò)散到表面時(shí) 造成微觀斷裂機(jī)理的材料磨損 36 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 脆性材料的體積磨損決定于斷裂機(jī)理 微觀切削機(jī)理和塑性變形機(jī)理所產(chǎn)生的磨損 材料磨損的各機(jī)理的平衡 取決于平均壓痕深度和產(chǎn)生斷裂的臨界壓痕深度 尖銳的壓頭在壓入材料表面時(shí) 彈塑性壓入深度隨著載荷增大而逐漸增加 在達(dá)到臨界壓痕深度時(shí) 因壓入而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力使裂紋萌生并圍繞壓入的塑性區(qū)擴(kuò)展 斷裂形成磨屑 微觀斷裂 37 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 磨粒磨損表面形貌特征 軟金屬被硬磨粒磨損 明顯塑性變形犁削作用 溝槽金屬塑性擠壓 隆起磨屑呈多皺折疊的塊狀塑性好的材料的磨屑 塑性變形撕裂特征僅6 13 的磨粒起顯微切削作用 大多數(shù)使材料表面發(fā)生塑性損傷 加工硬化 最終產(chǎn)生微裂紋 導(dǎo)致顯微剝落 38 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 硬金屬 耐磨材料 被硬磨粒磨損 合金中硬化相 如碳化物 有效阻止顯微切削和塑性變形 磨痕可見溝痕 相對(duì)較軟的基體存在 選擇 性磨損 出現(xiàn)硬相凸出現(xiàn)象 產(chǎn)生 浮雕 形貌 存在硬質(zhì)相斷裂的解理面 39 3 2磨粒磨損 3 2 1磨粒磨損的概念 3 2 2磨粒磨損的分類 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 3 2 4磨粒磨損的影響因素 40 3 2 4磨粒磨損的影響因素 1 硬度的概念磨粒磨損過程是一個(gè)多種因素綜合作用過程 從磨損與硬度的關(guān)系分析 既要了解磨損類型 又要了解硬度的物理本質(zhì) 硬度分為如下幾種 第一 材料磨前的整體硬度 第二 表面加工硬化而改變了的表面硬度 第三 如果摩擦熱足夠大 表面溫度升高 應(yīng)考慮高溫硬度等 41 3 2 4磨粒磨損的影響因素 硬度和強(qiáng)度之間具有一定關(guān)系 般說強(qiáng)度越高 硬度也越高 見下圖1 3 24所示 42 3 2 4磨粒磨損的影響因素 2 磨粒磨損與硬度從磨粒磨損方程分析 若系數(shù)為常數(shù) 則磨粒磨損時(shí) 磨損率與加載成正比 與材料硬度成反比 但在一些試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)系數(shù)K不是常數(shù) 而與磨粒中的磨粒硬度Ha 同被磨材料硬度Hm的相對(duì)大小有關(guān) 一般分為三個(gè)區(qū) 第一 低磨損區(qū) 在1 25Ha Hm的范圍內(nèi) 系數(shù)K Hm 6第二 過渡磨損區(qū) 在0 8Ha Hm 1 25Ha的范圍內(nèi) 系數(shù)K Hm 2 5第三 高磨損區(qū) 在Hm 0 8Ha的范圍內(nèi) 系數(shù)K基本保持恒定 不難看出 磨粒磨損不僅決定于材料的硬度Hm 而且更主要的是決定于材料硬度Hm和磨粒的硬度Ha比值 當(dāng)Hm Ha比值超過一定值后 磨損量會(huì)迅速降低 43 3 2 4磨粒磨損的影響因素 3 磨粒特性的影響磨粒尺寸 磨粒磨損過程中 磨粒的尺寸對(duì)耐磨性的影響 存在一個(gè)臨界尺寸 磨粒尺寸臨界尺寸時(shí) 磨損增大的幅度明顯降低 不同材料直線斜率不同 臨界尺寸也有不同 不同材料磨粒尺寸對(duì)磨損率的影響 臨界尺寸 44 3 2 4磨粒磨損的影響因素 磨粒形狀 對(duì)耐磨性有較大影響 磨粒根據(jù)幾何形狀分為3類 尖銳型 多角型和圓型 45 3 2 4磨粒磨損的影響因素 4 顯微組織的影響 顯微組織尺寸磨粒壓入深度 顯微組織中單獨(dú)相及組元的重要性格外突出 46 3