第一篇材料磨損基礎 Chapter1 材料的磨損Chapter2 固體表面結構與接觸特性Chapter3 材料的磨損機理 1 Chapter3 材料的磨損機理 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 粒或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運動過程中 使表面材料發生損耗的一種現象或過程 4 硬顆粒或凸出物一般為 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理引起的 經常是多種磨損機制綜合作用的結果 而且隨著磨損條件的變化 可能從一種機制轉化為另一種機制 5 磨粒磨損Abrasion AbrasiveWear 的2個層次 粗糙表面上的硬微凸體對相對較軟的摩擦配副表面的劃傷 材料的工作表面隨硬質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 低應力擦傷式磨粒磨損 如圖1 3 20 8 低應力磨粒磨損 磨粒與材料表面間的作用力小于磨粒本身壓潰強度時的力 磨損結果是在材料表面只發生微小的劃痕 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 高倍觀察可見微細的磨溝或微坑一類磨損 典型零件如農機具的磨損 運輸過程的溜槽 漏斗 料車等 9 3 2 2磨粒磨損的分類 第二 高應力磨粒磨損也稱碎式磨粒磨損 如下圖所示 當磨粒與材料之間接觸壓應力大于磨粒的壓潰強度時 韌性材料產生塑性變形或疲勞 脆性材料則發生碎裂或剝落 磨損的磨粒在壓碎前 幾乎沒有滾動和切削 對被磨表面的主要作用由接觸處集中壓應力造成 10 對塑性材料 就像打硬度一樣 磨粒使材料表面發生塑性變形 許許多多 壓頭 對材料表面作用 使之發生不定向流動 最后由疲勞而破壞 對于脆硬材料 幾乎不發生塑性流動 磨損主要是脆性破裂的結果 典型零件是滾式破碎機中的輥輪等 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 對材料表面進行高應力和伴隨沖擊作用 使材料表面撕裂出很大的顆粒或碎塊 被磨材料表面形成較深的犁溝或深坑 經常在運輸或破碎大塊磨粒時發生 12 請根據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運動 在表面造成的損耗 氣蝕 沖蝕磨粒磨損 固體同液體作相對運動 在氣泡破裂區產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 同環境條件發生化學或電化學反應 而磨損是材料損失的主要原因 14 請根據宏觀圖片 結合工況 辨別磨粒磨損的種類 并說明理由 葉輪 密封環 15 3 2 2磨粒磨損的分類 3 根據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 顆粒處于兩個被磨材料表面間 16 3 2 2磨粒磨損的分類 5 根據相對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 根據磨損機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 并導出定量計算公式 模型計算的3個假設 材料不發生塑性變形 剛體 硬質磨粒簡化為圓錐體磨損過程為簡單滑動 V 磨損體積r 磨粒圓錐體半徑x 磨粒壓入材料內深度l L 滑動距離 19 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 因為磨粒壓入金屬材料內的深度 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 而是多個磨粒共同作用材料發生塑性變形磨損過程中常常會伴隨有沖擊的作用 磨損環境的影響 溫度 濕度 腐蝕介質等 局限性 實際情況是 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動過程中 使表面材料發生損耗的一種現象或過程 2 磨粒磨損的機理 磨粒磨損機理是指零件表面材料和磨粒發生摩擦接觸后 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 微觀切削磨損機理磨粒在材料表面的作用力分為法向力和切向力兩個分力 法向力使磨粒壓入表面 切向力使磨粒向前推進 當磨粒形狀與運動方向適當時 磨粒如同刀具一樣 在表面進行切削形成切屑 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床上切屑的特點 即一面較光滑 另一面則有滑動的臺階 有些還發生卷曲現象 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理 是否經常發生呢 28 在某些條件下 切削磨損占整個磨損的比例很大 但通常磨粒和表面接觸時發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著運動方向 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 磨粒發生滾動接觸 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理 是否有一種其他的磨損機制 30 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 第二 多次塑變磨損機理在磨粒磨損中 當磨粒滑過被磨材料表面時 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和前緣 若在犁溝時全部溝槽中的體積都被推向兩側和前緣而不產生切屑 則稱為犁皺 犁溝或犁皺后堆積在兩側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 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 如此反復塑變 導致材料產生加工硬化或其他強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 當磨粒的硬度超過零件表面材料的硬度時 在沖擊力的作用下 磨粒壓入材料表面 使材料發生塑性流動 形成凹坑及其周圍的凸緣 當第二顆磨粒再壓入凹坑及其周圍的凸緣時 又重復發生塑性流動 如此反復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 分析這種磨損機理可知 材料多次塑性變形引起了材料晶格畸變 畸變力達到了材料不破壞其間的聯系則無法再改變其形狀的極限狀態 即材料不能再繼續變形和吸收能量 有些截面 當外力不變時 由于應力增長 集中 而逐漸喪失塑性并轉變為脆性狀態 在沖擊力作用下裂斷成磨屑 33 多次塑變磨損機理是否適合所有材料呢 在大量的觀察發現 一些脆性材料不適合塑性變形磨損機理的解釋 第三類磨損機制 34 3 2 3磨粒磨損基本模型與原理 微觀犁溝 第三 微觀斷裂磨損機理磨損時由于磨粒壓入被磨材料表面 大多數材料都會發生塑性變形 但有些材料尤其是脆性材料 可能是斷裂機理占主要地位 當斷裂發生時 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境等 其內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 在磨損試驗中 若用球形壓頭 在彈性接觸下伸向材料內部的裂紋往往形成斷裂 若用小曲率半徑的壓頭 常會變成彈 塑性變形 如果壓頭尖銳 則壓痕未達到臨界尺寸前不會發生斷裂 臨界尺寸隨著材料硬度的降低和斷裂韌性的提高而增大 這些靜態壓痕現象也定性地適合于滑動情況 對多晶體脆性材料 即使壓痕尺寸小于臨界尺寸 也會發生次表面斷裂 對脆性材料 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 對磨粒磨損 當橫向裂紋 徑向裂紋互相交叉或擴散到表面時 造成微觀斷裂機理的材料磨損 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理 微觀切削機理和塑性變形機理所產生的磨損 材料磨損的各機理的平衡 取決于平均壓痕深度和產生斷裂的臨界壓痕深度 尖銳的壓頭在壓入材料表面時 彈塑性壓入深度隨著載荷增大而逐漸增加 在達到臨界壓痕深度時 因壓入而產生的拉伸應力使裂紋萌生并圍繞壓入的塑性區擴展 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 大多數使材料表面發生塑性損傷 加工硬化 最終產生微裂紋 導致顯微剝落 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 相對較軟的基體存在 選擇 性磨損 出現硬相凸出現象 產生 浮雕 形貌 存在硬質相斷裂的解理面 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多種因素綜合作用過程 從磨損與硬度的關系分析 既要了解磨損類型 又要了解硬度的物理本質 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 應考慮高溫硬度等 41 3 2 4磨粒磨損的影響因素 硬度和強度之間具有一定關系 般說強度越高 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 若系數為常數 則磨粒磨損時 磨損率與加載成正比 與材料硬度成反比 但在一些試驗中發現系數K不是常數 而與磨粒中的磨粒硬度Ha 同被磨材料硬度Hm的相對大小有關 一般分為三個區 第一 低磨損區 在1 25Ha Hm的范圍內 系數K Hm 6第二 過渡磨損區 在0 8Ha Hm 1 25Ha的范圍內 系數K Hm 2 5第三 高磨損區 在Hm 0 8Ha的范圍內 系數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Hm Ha比值超過一定值后 磨損量會迅速降低 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 磨粒的尺寸對耐磨性的影響 存在一個臨界尺寸 磨粒尺寸臨界尺寸時 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 對耐磨性有較大影響 磨粒根據幾何形狀分為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 顯微組織中單獨相及組元的重要性格外突出 46 3