二體磨損與三體磨損的關(guān)系

二體磨損與三體磨損的關(guān)系

自1966年提交了著名的研究報(bào)告以來，摩擦和磨損的研究逐漸引起了國(guó)家政府及其相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視。根據(jù)歐洲經(jīng)合組織工程材料磨損研究小組給出的定義:磨損就是由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)使物體表面的材料逐漸損失的過程。應(yīng)該說工程領(lǐng)域里的磨損現(xiàn)象是非常普遍的。按照BURWELL的分類,磨損一般可以分為磨料磨損,粘著磨損,疲勞磨損和腐蝕磨損等。這里,尤以磨料磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失為最大。EYRETS曾對(duì)各類磨損所造成損失作出了估算,其中磨料磨損占50%左右。所以,對(duì)磨料磨損的研究在整個(gè)摩擦學(xué)領(lǐng)域里是一個(gè)重要的課題。由于磨料磨損現(xiàn)象的復(fù)雜性,有不少的研究工作者試圖把磨料磨損作進(jìn)一步分類。目前,得到公認(rèn)的(或者說是為多數(shù)研究工作者認(rèn)同的)劃分方法有2種:一種是按被磨損材料表面的應(yīng)力大小來劃分;另一種是根據(jù)第三體磨料的存在與否來劃分,具體劃分方法如下:磨料磨損{鑿削式磨料磨損高應(yīng)力輾碎式磨損低應(yīng)力擦傷式磨損?????鑿削式磨料磨損高應(yīng)力輾碎式磨損低應(yīng)力擦傷式磨損磨料磨損{二體磨損三體磨損{二體磨損三體磨損這里有一點(diǎn)要提及的是:二體磨損是被研究的較深入的磨料磨損形式;而三體磨損在工程領(lǐng)域更普遍地被遇到,這是明顯的一對(duì)矛盾。對(duì)二體磨損研究的深入要?dú)w于二體磨損的復(fù)雜性小于三體磨損,已有的磨料磨損的模型就是—個(gè)保證?？梢哉f比較有影響的幾個(gè)模型,如RABINOWIZS的切削模型,SADARARAJAN的臨界應(yīng)變模型,SUH的層剝理論和ZUMGAHR的犁溝模型等都是對(duì)二體磨損分析、研究的基礎(chǔ)上提出的;而對(duì)三體磨損,至今仍缺少比較有影響的模型。其實(shí),這里還有更深—層的問題,那就是二體磨損與三體磨損之間的關(guān)系問題。弄清這個(gè)問題不但對(duì)解釋二體磨損與三體磨損的相同之處和不同之處有幫助,而且對(duì)三體磨損模型的建立更具有指導(dǎo)意義。本文的目的旨在揭示二體與三體磨損之間的關(guān)系,從而為三體磨損的模型建立提供理論依據(jù)。作為摩擦學(xué)上的概念,二體磨損和三體磨損的提出和系統(tǒng)分析與20世紀(jì)60~70年代風(fēng)靡一時(shí)的工程學(xué)研究方法是分不開的。所謂系統(tǒng)分析就是把被研究對(duì)象及其環(huán)境當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng),研究系統(tǒng)的輸入與輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按照系統(tǒng)分析的方法,磨損系統(tǒng)中的被磨損材料通常被稱為第一體,與其配副的材料稱為第二體,第三體是指存在于第一體和第二體之間的磨料。根據(jù)上述的分析,二體磨損指的就是只有第一體和與其對(duì)磨的第二體的磨損;而三體磨損自然是指系統(tǒng)中三體都存在時(shí)的磨損。從表面上看,上述的定義已經(jīng)是很清楚的了,其實(shí)不然。因?yàn)槎x中并沒有指出第三體的約束情況。正因?yàn)槿绱?就產(chǎn)生了2種截然不同的對(duì)三體磨損定義的解釋。一種以為:第三體是可以自由運(yùn)動(dòng)的(也就是沒有約束或約束很小),這樣解釋的話,在相同或相近的工況條件下,二體磨損比三體磨損要嚴(yán)重得多。因?yàn)榈图s束的第三體可以以最低的能量狀態(tài)在2個(gè)磨面之間運(yùn)動(dòng)(或滾動(dòng)或滑動(dòng)),由其產(chǎn)生磨損應(yīng)力較之二體磨損來說就小多了。另一種理解是:第三體是有約束的,是被卡在第一體和第二體之間的磨損。所以說三體磨損的強(qiáng)度要大于二體磨損。由于這2種解釋的矛盾性,有不少的人,像GATESJD,對(duì)磨料磨損按二體、三體磨損劃分提出了質(zhì)疑。按照他們的建議,象二體磨損、三體磨損這樣的劃分方法不應(yīng)該再用了。因?yàn)樗鼤?huì)引起概念上的混亂。取而代之是根據(jù)材料在磨料磨損中的表現(xiàn)劃分為:輕度磨損(mildabrasion)、重度磨損(severeabrasion)和極度磨損(extremeabrasion)。如在磨損率W與磨損L的關(guān)系曲線上來劃分的話,Ⅰ區(qū)之間對(duì)應(yīng)著輕度磨損;Ⅱ區(qū)之間對(duì)應(yīng)著重度磨損;Ⅲ區(qū)之間對(duì)應(yīng)著極度磨損,這種劃分有一個(gè)明顯的好處,就是它考慮了磨損中常見的磨損過渡現(xiàn)象(或稱為磨損突變)。而磨損率的突然變化是與材料的磨損機(jī)制的變化有直接的關(guān)系的。其實(shí),在20世紀(jì)70年代末就有人注意到二體與三體磨損之間的關(guān)系問題了,比較典型的研究工作是美國(guó)加州大學(xué)的MISRA和FINNIE作的。他們從材料的硬度、加工硬化指數(shù)、磨料的尺寸、載荷和熱處理等幾個(gè)方面研究了二體與三體磨損的異同點(diǎn)。不過,他們的工作總體上講比較初步,即只注意到對(duì)磨損現(xiàn)象的羅列,沒能從磨損的微觀機(jī)制上給出解釋,而且也沒有把這些工作同三體磨損的模型建立聯(lián)系起來。本文將對(duì)上述問題作出自己的闡述。1第二和第三磨損的起點(diǎn)1.1第二和第三磨損之間的差異1.1.1硬度與三體磨損的關(guān)系在所有與材料的抗磨損性相關(guān)的機(jī)械性能中,硬度是最早也是最深入地被研究的性能之一。幾乎所有的磨料磨損模型都涉及到硬度這一性能。所以,本文首先討論二體和三體磨損中硬度的影響。這里先看一下KRUSCHOV和RABIMOWICZ的經(jīng)典工作,見圖1、圖2(見下頁)。從圖1、圖2中可以看出,隨著材料硬度的增加,不論是二體磨損還是三體磨損,其耐磨性是增加的。但如果僅從2人的工作就斷定硬度對(duì)二體和三體磨損的影響是相同的就有些片面了。因?yàn)閺腜RASADN和ZUMGAHVKH等人的工作來看,對(duì)于三體磨損而言,硬度與耐磨性的關(guān)系遠(yuǎn)不是線性增加那樣簡(jiǎn)單的,見圖3、圖4(見下頁)。這種V型和S型的典線關(guān)系在三體磨損的工況中是比較典型的。產(chǎn)生這種不同于二體磨損的差異的原因可以用磨料磨損的微觀機(jī)制來解釋:二體磨損的機(jī)制主要是微切削,而三體則是塑變加切削的機(jī)制。我們知道隨著硬度的增加,因切削引起的磨損量是趨向于減小的;而塑變磨損是隨被磨材料的硬度增加而提高的(塑變磨損是以層剝機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的,材料的硬度越高,因?qū)觿兌鴮?dǎo)致的磨損量就越大)。圖5是根據(jù)方亮等人的工作而繪制的,圖中的2條點(diǎn)劃線Wc和Wd分別代表了切削磨損和塑變磨損,圖中的峰形實(shí)線則代表了兩者共同作用的結(jié)果。由于材料的耐磨性與其磨損量成反比,所以,三體磨損中材料的耐磨性與硬度之間就有了V型的關(guān)系曲線了。1.1.2磨損率隨載荷的變化圖6清楚地揭示了二體和三體磨損的磨損率隨載荷變化的規(guī)律。對(duì)二體磨損而言,其磨損率與載荷呈線性關(guān)系,載荷越大,磨損率越高。對(duì)三體磨損而言,在低載荷范圍內(nèi),磨損率隨載荷的增加呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì);隨著載荷的進(jìn)一步增加,磨損率逐漸達(dá)到線性增長(zhǎng)。三體磨損的磨損率在低載荷區(qū)增長(zhǎng)緩慢的原因可能是:在低載荷下,第三體磨料的約束近乎為零,磨料可以任意滾動(dòng),這樣磨料對(duì)被磨材料發(fā)生微切削的幾率就很低了。所以,三體磨損的磨損率在低載區(qū)內(nèi)增長(zhǎng)緩慢。而二體磨損中,由于磨料是固定的,只要磨料與磨面之間構(gòu)成的攻角大于臨界的切削攻角,磨料就產(chǎn)生微切削作用。這就解釋了為什么在低載荷范圍內(nèi),二體和三體磨損出現(xiàn)上述的差異。1.1.3第三體磨損時(shí)被磨粒的磨損機(jī)理從圖7(見下頁)來看,三體磨損實(shí)驗(yàn)存在一個(gè)比較明顯的跑合期,而二體磨損的跑合期相比之下要短得多。三體磨損的跑合期長(zhǎng)于二體磨損的原因是三體磨損的主要磨損機(jī)制為多次塑變(或微觀壓入)導(dǎo)致的變形層的疲勞斷裂機(jī)制。因?yàn)楸荒ゲ牧系谋砻嬖诘谌w磨粒的反復(fù)的滾壓作用下會(huì)發(fā)生反復(fù)的塑變→加工硬化→脆性斷裂的過程。當(dāng)然發(fā)生這樣的過程是要在一定的磨損長(zhǎng)度L內(nèi)才能完成的。具體表現(xiàn)在磨損圖上就是需要一定的跑合期才能達(dá)到穩(wěn)定的磨損速率。而二體磨損則不然。它主要是靠微機(jī)削機(jī)制面產(chǎn)生磨損,是不需要跑合期的。1.2差異的原因分析以上只對(duì)二體和三體磨損的差異作了討論,并分析了產(chǎn)生這些差異的原因。其實(shí),二體和三體磨損的共同之處要大于不同之處,即共性是主要的,差異次之。通過下面對(duì)共同性的討論就可以看出這點(diǎn)來。1.2.1加工硬化。在現(xiàn)代社會(huì),我國(guó)從圖1中KRUSCHOV的開拓性工作可以看到,熱處理是可以通過提高碳鋼的硬度而提高其二體磨損的耐磨性的。再?gòu)膱D2中RABINOWICZ的工作也可以看到熱處理同樣對(duì)提高碳鋼抗三體磨損的能力也是有效的。至于加工硬化,無論是對(duì)二體磨損還是三體磨損都不起作用。提高硬度對(duì)增加材料的微切削的抗力是有促進(jìn)作用的。這就是為什么通過熱處理提高碳鋼的硬度后會(huì)提高碳鋼的二體和三體磨損的抗力,那么,加工硬化后的硬度升高為什么不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的效果呢?這主要是因?yàn)樵谀チ夏p工況下,磨面塑變層的加工硬化是十分充分的,這就使得磨損前的加工硬化處理變得不重要了,換句話說,是材料經(jīng)加工硬化后的硬度與其抗磨性有關(guān),而不是材料在未加工硬化時(shí)的硬度與其抗磨性有關(guān)。所以有不少的學(xué)者建議磨料磨損模型中的硬度應(yīng)該指的是材料磨面在磨損后的硬度。1.2.2被磨材料表面的嚴(yán)重塑變層厚度對(duì)磨損率的影響從圖8中可以看到磨粒尺寸對(duì)二體和三體磨損磨損率的影響是相似的。即都存在一個(gè)臨界尺寸Dc,在小于Dc時(shí),隨著粒徑的增加,磨損率是迅速上升的,當(dāng)超過Dc時(shí),再增加粒徑,對(duì)磨損率的影響已是十分微弱的。要解釋磨粒尺寸對(duì)磨損率的影響,首先對(duì)磨損規(guī)律要有兩點(diǎn)認(rèn)識(shí):①被磨材料表面的嚴(yán)重塑變層的厚度只與荷載大小P有關(guān),而與粒徑無關(guān);②磨粒的壓入深度是與其粒徑成正比的。磨粒的粒徑大,單位面積上的磨粒數(shù)量就小,而單個(gè)磨粒承受的載荷就大,壓力深度也就大。反之亦然。對(duì)于一定的載荷,被磨材料的表面塑變層厚度是一定的。而小尺寸磨粒(指粒徑小于臨界尺寸Dc的磨粒)隨著粒徑的增加,其壓入深度也是增加的,磨損率也隨之增加。當(dāng)超過Dc時(shí),磨粒的壓入深度超過了嚴(yán)重塑變層的厚度時(shí),這時(shí)再繼續(xù)增加粒徑已對(duì)磨損率的提高作用不大了。1.2.3過渡型磨損機(jī)制從RICHARDSON等人所作的工作(圖9)可以知道:材料的耐磨性不僅取決于材料的硬度,更主要的是取決于材料的硬度Hm與磨粒的硬度Ha的比值,當(dāng)Hm/Ha超過1.3左右以后,磨損耗量是比較低的(一般稱之為軟磨料磨損),而當(dāng)Hm/Ha低于0.8時(shí),磨損量是比較高的(一般稱之為硬磨料磨損),在這2個(gè)閾值之間的磨損稱之過渡型磨損。在過渡型磨損范圍內(nèi)隨著磨料的硬度增加,磨損率是急劇上升的。從圖9中可以看到,二體和三體磨損都存在從軟磨料磨損向硬磨料磨損的過渡現(xiàn)象。從磨損機(jī)制上講,在軟磨料磨損的條件下,低周疲勞磨損機(jī)制則占主要地位。此時(shí),磨面的磨損率迅速下降。而在硬磨料磨損條件下,微切削和低周疲勞同時(shí)作用于磨面,磨損率自然就比較高了。2體磨損的響應(yīng)分析前面在討論二體和三體磨損異同點(diǎn)時(shí),己對(duì)產(chǎn)生差異性和類同性的原因提出了微觀機(jī)制上的解釋。并且,前面已經(jīng)提到過,所謂二體磨損指的就是當(dāng)磨料完全或大部分被約束時(shí)的三體磨損,即二體磨損是三體磨損的特例,而三體磨損更具普遍性。二體磨損時(shí)滑動(dòng)的磨粒可以引起磨面的切削磨損,也可以導(dǎo)致塑變磨損。在三體磨損時(shí),滾動(dòng)磨料(有一部分是時(shí)滾時(shí)滑)主要是引起磨面的塑性變形。根據(jù)LUDEMAKC的觀點(diǎn),金屬發(fā)生了塑性變形的地方如再經(jīng)歷其他磨料的反復(fù)作用,就可能導(dǎo)致疲勞磨損。所以,如從磨料顆粒運(yùn)動(dòng)方式對(duì)金屬磨損的影響,可以概括如下:磨料顆粒運(yùn)動(dòng)方式{滑動(dòng)磨料(二體磨損)切削磨損滾動(dòng)磨料(三體磨損)塑變磨損(可能導(dǎo)致疲勞磨損)磨料顆粒運(yùn)動(dòng)方式{滑動(dòng)磨料(二體磨損)切削磨損滾動(dòng)磨料(三體磨損)塑變磨損(可能導(dǎo)致疲勞磨損)二體與三體磨損的相似之處大于其不同之處。這從前面的分析中可以看出。也就是說基于二體磨損建立的磨料磨損模型無論從形式上還是從內(nèi)容上與三體磨損的模型應(yīng)該是比較接近的。設(shè)ωs塑是塑變部分引起的磨損,因?yàn)槭嵌啻嗡茏?或低周疲勞)導(dǎo)致的變形層的剝落,這樣可以將其看成一種低周疲勞過程,于是有ωs塑=kdΡΗ(1)ωs塑=kdPH(1)這里kd是材料發(fā)生低周疲勞破壞的力循環(huán)次數(shù)的倒數(shù),即kd=1n(nkd=1n(n的確定用MANSIAN-COFFIN公式,即n=(2cz)2)。至此,三體磨損的模型的公式表達(dá)可以是下面的形式ωs=ωs切+ωs塑=f1(ΚaΡ3Η)+f2(ΚdΡΗ)(2)式中:f1和f2就是磨粒的滑動(dòng)幾率Pc和滾動(dòng)幾率pr。上面有關(guān)模型的分析雖然有點(diǎn)簡(jiǎn)單化,但它對(duì)于解釋二體和三體磨損的關(guān)系還是有所幫助的。將式(2)中的f1取1,而f2取0時(shí),式(2)就變?yōu)槎?/p>