第三章 磨料磨損.

1、第三章 磨料磨損3.1 概述3.2 基本原理、模型及影響因素3.3 試驗(yàn)研究方法3.4 典型零件的失效分析 目目 錄錄3.1 概述概述 1.定義 磨料磨損（磨粒磨損Abrasive wear）：一般指磨?；蛴驳奈⑼贵w與材料表面相互作用過程中，造成材料表面損耗的現(xiàn)象或過程。在歐洲合作與發(fā)展組織（OECD）編定的摩擦學(xué)術(shù)語中對(duì)磨料磨損所下的定義為：“由于硬顆粒或硬凸起物使材料產(chǎn)生遷移而造成的一種磨損”。對(duì)磨料磨損的分類方法也很多。許多文獻(xiàn)中經(jīng)常引用的是Avery和Rigncy的分類方法（表5.1）此外，人們也經(jīng)常采用按不同的系統(tǒng)特性來進(jìn)行分類的方法（表5.2）。系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性磨料磨損類型磨料磨損

2、類型系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性磨料磨損類型磨料磨損類型使用條件低壓力、高壓力、沖擊、沖蝕、氣蝕、腐蝕。表面損壞形貌擦傷型、刮傷型、研磨型、微觀切削型等接觸條件兩體、三體。磨料磨損機(jī)理塑性變形、斷裂磨料條件滑動(dòng)、滾動(dòng)；開式、閉式；固定、半固定和松散顆粒。特殊環(huán)境普通型、腐蝕、高溫型。磨料和材料的相對(duì)硬度軟磨料0.8硬磨料0.8表表5.2 根據(jù)不同系統(tǒng)特性磨料磨損的分類根據(jù)不同系統(tǒng)特性磨料磨損的分類3.2 基本原理、模型及影響因素基本原理、模型及影響因素1.基本原理 當(dāng)硬的粗糙表面對(duì)一個(gè)較軟的表面滑動(dòng)叭可刺入軟表面而犁出一系列溝棍引起密科磨損。原來在溝槽中的材隊(duì)通常以松散的碎片形式被犁去。 當(dāng)硬的磨粒被引入

3、兩個(gè)滑動(dòng)表面之間而擦去兩邊的材料叭磨料磨損也能以稍微不同的情形引起。這種密料磨損的機(jī)理似乎是一個(gè)磨粒臨時(shí)核著一個(gè)滑動(dòng)表面或嵌在一個(gè)表面，而在另一個(gè)面上犁出溝槽。磨損的達(dá)兩種形式，即一種是包含有硬而粗糙的表面，另一種是包含有硬的磨科顆粒通常分別叫做兩體磨料啟損和三體密科磨損。2.磨料磨損的模型在許多摩擦學(xué)專著中都引用E.Rabinowicz在1966年所提出的磨料磨損簡化模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式（圖5.1）。這種簡單模型的基本假設(shè)是：將經(jīng)受磨損的材料簡化成一種不產(chǎn)生任何塑形變形的絕對(duì)剛體；將硬質(zhì)磨料顆粒簡化成一個(gè)圓錐體；將磨損過程視為簡單的滑動(dòng)過程；利用這個(gè)簡單模型，可以很容易計(jì)算出在一個(gè)圓錐體的磨料顆

4、粒作用下，滑動(dòng)一定距離所磨損掉的材料體積（陰影部分）。即：lxrlxrV221由于磨料壓入材料內(nèi)深度決定于壓力的大小和材料硬度的比值，所以tgrxPHr 2tgHPlV令tgK所以KPHlV 以上表達(dá)式表明，在一定的磨料條件下，單位滑動(dòng)距離內(nèi)磨損的體積與施加的載荷成正比，與材料的硬度成反比。這個(gè)簡單的模型只是一種過分理想化了的磨料磨損類型，在實(shí)際磨料磨損過程中，磨損機(jī)理往往要比這種簡單模型復(fù)雜得多。a. 磨料磨損過程中材料亞表層的應(yīng)力分布和能量轉(zhuǎn)換在磨料磨損過程中，磨料顆粒在壓力作用下會(huì)使經(jīng)受磨損的材料產(chǎn)生彈性和塑形變形，從而在材料亞表層不同深度處會(huì)形成壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。拉力和壓力會(huì)使材料的位錯(cuò)

5、密度和硬度發(fā)生變化。由于磨料與材料接觸過程中的接觸角不同，材料遷移的機(jī)理以及應(yīng)力分布也隨之而變。b. 磨料磨損過程中材料去除的兩種機(jī)制1、由塑形變形機(jī)制引起的去除過程當(dāng)磨料與塑形材料表面接觸時(shí)，主要會(huì)發(fā)生兩種主要的材料去除過程（圖5.7）犁溝材料受磨料的擠壓向兩側(cè)產(chǎn)生隆起。這種過程并不會(huì)直接引起材料的去除，但在多次變形后會(huì)產(chǎn)生脫落而形成二次切削（圖5.7a）微觀切削材料在磨料作用下發(fā)生如刨削一樣的切削過程。這種過程可直接造成材料的去除，形成一次切削（圖5.7b）。材料因塑性變形造成材料去除的磨損體積表達(dá)式為：LHPKKKV-132112、由斷裂機(jī)制引起的去除過程 這種去除過程在脆性材料中顯得特

6、別重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它們對(duì)于斷裂破壞十分敏感。由于斷裂機(jī)制材料去除的體積的表達(dá)式為：LHKdPKV2/14/32/14/552 當(dāng)施加載荷較大、磨料尖銳以及材料的斷裂韌性與硬度的比值越低時(shí)，材料越趨向于壓痕斷裂，材料的硬度決定了磨料顆?？赡軌喝氲纳疃?，如果壓痕深度大于產(chǎn)生斷裂的臨界深度值因而減小了因斷裂機(jī)制去除的磨損體積。3.兩種機(jī)制的關(guān)系： 兩種機(jī)制的轉(zhuǎn)換在磨料磨損過程中，無論是塑性材料或脆性材料，都可能同時(shí)發(fā)生塑性變形及斷裂兩種機(jī)制。只是由于磨損環(huán)境條件及材料特性不同，某一種磨損機(jī)制會(huì)占主導(dǎo)地位。而且，常常隨條件的變化發(fā)生一種磨損機(jī)制向另一種機(jī)制的轉(zhuǎn)換。3.磨料磨損的影響因素

7、實(shí)際的磨料磨損過程是一個(gè)復(fù)雜的多因素綜合作用的摩擦學(xué)系統(tǒng)。利用系統(tǒng)分析方法可以較為清楚地考察各個(gè)組員及其相互作用以及環(huán)境條件的影響。影響因素：可分為兩類：內(nèi)部因素-材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和由組織所決定的性能；外部因素-磨料特性、磨料與材料相互作用時(shí)的接觸應(yīng)力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境介質(zhì)、溫度等。 材料的磨料磨損特性還具有動(dòng)態(tài)屬性，即材料在磨損過程中發(fā)生的加工硬化、熱影響下的相變、再結(jié)晶、退火或回火軟化等,使得材料在磨損過程中的性質(zhì)已經(jīng)不同于材料磨損前的原始性質(zhì)，零件表面連續(xù)不斷的與磨料相互作用，使得零件表面層處于一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。材料耐磨性既與材料的原始性質(zhì)有關(guān)，又與磨損過程中材料表面微區(qū)在外部因素影

8、響下瞬時(shí)的性能變化有更密切關(guān)系。1.磨料特性的影響磨料硬度的影響對(duì)材料的磨損率有明顯的影響。這種影響的程度主要是以材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值為標(biāo)志的。由此可見、當(dāng)磨料硬度Ha遠(yuǎn)高于被磨材料的硬度Hm時(shí)，磨損與磨料硬度無關(guān)；當(dāng)被磨材料的硬度接近于磨料硬度時(shí)，磨損減慢。而當(dāng)磨料硬度低于被磨材料時(shí)，隨兩者差別的增大，磨損急劇減小。實(shí)際情形下，即使是磨料很軟，由于沖擊的作用或者軟磨料中摻有硬磨料等因素，也會(huì)導(dǎo)致工件的磨損。磨料尺寸的影響磨料尺寸（粒度）對(duì)磨料磨損也有一定的影響（圖5.20），當(dāng)磨料在某一臨界尺寸一下時(shí)，體積磨損隨磨料尺寸的增大而急劇地按比例增加；當(dāng)超過這一臨界尺寸時(shí)，磨損增大的幅

9、度顯著降低。不同材料的直線斜率不同，臨界尺寸也略有區(qū)別。磨 料 臨 界 尺 寸 大 致 在80m左右，與材料成分、性能、加工工藝、速度和載荷等有關(guān)。當(dāng)磨粒尺寸小于某一尺寸時(shí)，甚至?xí)l(fā)生磨損機(jī)制的變化，由磨料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p。磨料形狀的影響磨料形狀的影響磨料形狀（尖銳度）對(duì)磨料磨損過程也有明顯的影響。磨料形狀（尖銳度）對(duì)磨料磨損過程也有明顯的影響。由于各種磨料的形狀難以測(cè)量和定量區(qū)別，一般僅定性地由于各種磨料的形狀難以測(cè)量和定量區(qū)別，一般僅定性地將磨料形狀區(qū)分為三種典型類型：尖銳型、多角形和圓型。將磨料形狀區(qū)分為三種典型類型：尖銳型、多角形和圓型。2.2.材料機(jī)械性能和微觀組織的影響材料機(jī)械性

10、能和微觀組織的影響圖5.23表示了某些純金屬的彈性模量與相對(duì)耐磨性之間的關(guān)系。由圖可見，工業(yè)純金屬的耐磨性與其彈性模量成正比，但是，這種關(guān)系不適用于熱處理過的鋼，因?yàn)闊崽幚聿粫?huì)改變材料的彈性模量卻使耐磨性大大提高。材料的整體硬度與耐磨性之間不是簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系；磨損前對(duì)金屬進(jìn)行冷作加工硬化對(duì)提高金屬材料本身的耐磨性無效，其原因在于磨損過程中金屬材料表面已發(fā)生了最大限度的加工硬化，耐磨性取決于最大硬化狀態(tài)下的硬度，因而材料的耐磨性與其磨損后的表面硬度成正比1.材料機(jī)械性能的影響圖5.25表示了某些材料的相對(duì)耐磨性與磨損后的表面硬度之間的關(guān)系。材料的耐磨性與其磨損后的表面硬度成正比，近期的研究指出：

11、磨損表面的極限強(qiáng)度時(shí)材料破斷前所能貯藏的最大位錯(cuò)密度的量度。因此，材料磨損后的表面硬度比其宏觀硬度與耐磨性有更直接的關(guān)系。材料的耐磨性與拉伸強(qiáng)度和塑性之間沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在材料硬度較高時(shí)，材料的強(qiáng)度特別是塑性和韌性的提高將有利于材料耐磨性的提高。由圖可知，材料硬度和斷裂韌性的良好配合可獲得高的耐磨性，增加載荷或磨粒尖銳等會(huì)加大材料的磨損。2.微觀組織的影響材料的微觀組織與機(jī)械性能有密切關(guān)系，因而它對(duì)材料的耐磨性也有重要影響。圖5.31表示了與合金微觀組織和耐磨性有關(guān)的一些基本因素。微觀組織對(duì)材料耐磨性影響的基本規(guī)律一般可分為兩類：微觀組織的尺寸小于磨料顆粒壓入深度。在這種情形下，微觀組織主

12、要對(duì)其宏觀性能有明顯影響。微觀組織的尺寸等于或大于磨料顆粒壓入深度。在這種情形下，微觀組織中的單獨(dú)相及組元的重要性顯得格外突出了。圖5.32表示了鐵金屬材料的微觀組織在不同條件下磨損系數(shù)和宏觀硬度的關(guān)系。由此可見，這些因素的相互影響是相當(dāng)復(fù)雜的且與磨損的工況條件有關(guān)。圖5.33表示鋼的不同組織類型在不同硬度水平時(shí)的相對(duì)耐磨性。各種組織的耐磨性隨硬度增加而增加，在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體優(yōu)于珠光體和馬氏體。3.工況和環(huán)境條件的影響在磨料磨損系統(tǒng)中，除了磨料及材料特性兩個(gè)組元的特性及其相互影響外，工況和環(huán)境條件對(duì)磨損過程也有很大的影響。這些因素主要是指速度、載荷、磨損距離、磨料沖擊角以及環(huán)境

13、濕度、溫度和腐蝕介質(zhì)條件等。研究表明：某些軟材料?；瑒?dòng)速度在02.5m/s范圍內(nèi)，體積磨損只隨滑動(dòng)速度的增大而略有增加（圖5.35）。在干、濕磨損條件下的磨損數(shù)據(jù)表明：一般情況下，濕磨損由于能起到潤滑和冷卻作用，磨損率稍有下降。然而，在帶有腐蝕介質(zhì)及高溫條件下的磨料磨損過程會(huì)有很大的變化。3.3 3.3 試驗(yàn)研究方法試驗(yàn)研究方法1.磨料磨損試驗(yàn)的基本目的：系統(tǒng)研究磨料磨損機(jī)理及其基本規(guī)律。預(yù)測(cè)和檢查磨料磨損過程的結(jié)果。優(yōu)先試驗(yàn)材料及表面處理工藝方案。2.磨損試驗(yàn)的分類磨損試驗(yàn)可分為實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)和實(shí)際工況條件下的磨損試驗(yàn)。后者的真實(shí)性和可靠性好，但試驗(yàn)周期長，影響因素不易控制，花費(fèi)人力物力。三

14、十年代以前常用這種方法，而近幾十年來，已經(jīng)常采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來研究磨料磨損。衡量實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)的基本標(biāo)準(zhǔn)是：重現(xiàn)性好、實(shí)驗(yàn)誤差小；鑒別率高和模擬性好。3.磨料磨損試驗(yàn)機(jī)序序號(hào)號(hào)研究者研究者 示意圖及實(shí)驗(yàn)條件示意圖及實(shí)驗(yàn)條件磨料磨料材料材料說明說明1 1Brinell石英砂石英砂碳素鋼碳素鋼初期代表裝置，初期代表裝置，磨損距離磨損距離60mm。butkewitz石英砂（石英砂（0.51.5mm）鑄鐵，特鑄鐵，特殊鋼殊鋼12.4min內(nèi)供砂量內(nèi)供砂量為為2.5kg2木戶等木戶等石灰石，白石灰石，白云石，鐵礦云石，鐵礦石，長石，石，長石，石英砂石英砂試驗(yàn)時(shí)間試驗(yàn)時(shí)間5min，磨損距離磨損距離8100m

15、。3Haworth長石，石英長石，石英砂砂鐵合金（鐵合金（Cr231%），表面），表面處理鋼處理鋼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，容逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，容器中盛有磨料及器中盛有磨料及砂漿、磨料在輪砂漿、磨料在輪子和式樣之間接子和式樣之間接觸觸4.磨損量的測(cè)量和比較方法3.4 典型零件的失效特征與分析1.犁鏵的基本工況和特性犁鏵是鏵式犁的主要易損工作零件。用于耕作土壤翻耕農(nóng)田，它主要受到土壤磨粒的沖擊、摩擦作用而產(chǎn)生磨損，使尖部磨鈍而失效。由于土壤磨粒所受應(yīng)力小于土壤磨粒的壓碎強(qiáng)度，故犁鏵的磨損屬于低應(yīng)力磨料磨損。2.犁鏵的磨損（低應(yīng)力擦傷型磨料磨損）失效分析（1）宏觀失效分析對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)收集的失效犁鏵磨損表面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：犁

16、鏵的失效特征主要是磨損（刃部磨鈍，厚度變?。?；其次是斷裂和變形。前者是正常的失效形式，其磨損表面光滑并有明顯擦傷痕跡，后者可能是由于選材、熱處理或使用不當(dāng)造成的（如圖5.36）。（2）微觀形貌分析利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)犁鏵磨損表面進(jìn)行進(jìn)行觀察，結(jié)果如以下三圖：圖a：犁鏵磨損表面形貌特征是無確定方向的深淺不同的交叉犁溝，這些犁溝是由于不同尺寸的磨料反復(fù)作用的結(jié)果，導(dǎo)致材料逐步剝落破壞。圖b：犁溝與普通材料（65Mn淬火200C回火）有明顯不同，犁溝數(shù)量減少，呈不連續(xù)性，并可明顯看到橫向粗大的碳化物（Cr7C3）對(duì)磨痕產(chǎn)生阻礙作用。圖c：在堆焊犁鏵表面可以看到不少碳化物剝落抗和脫落前的解理裂紋和斷裂特征，這