二體磨損與三體磨損的關系

自1966年提交了著名的研究報告以來，摩擦和磨損的研究逐漸引起了國家政府及其相關研究機構的重視。根據歐洲經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運動使物體表面的材料逐漸損失的過程。應該說工程領域里的磨損現象是非常普遍的。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濟損失為最大。EYRETS曾對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,對磨料磨損的研究在整個摩擦學領域里是一個重要的課題。由于磨料磨損現象的復雜性,有不少的研究工作者試圖把磨料磨損作進一步分類。目前,得到公認的(或者說是為多數研究工作者認同的)劃分方法有2種:一種是按被磨損材料表面的應力大小來劃分;另一種是根據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力輾碎式磨損低應力擦傷式磨損?????鑿削式磨料磨損高應力輾碎式磨損低應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域更普遍地被遇到,這是明顯的一對矛盾。對二體磨損研究的深入要歸于二體磨損的復雜性小于三體磨損,已有的磨料磨損的模型就是—個保證。可以說比較有影響的幾個模型,如RABINOWIZS的切削模型,SADARARAJAN的臨界應變模型,SUH的層剝理論和ZUMGAHR的犁溝模型等都是對二體磨損分析、研究的基礎上提出的;而對三體磨損,至今仍缺少比較有影響的模型。其實,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系問題。弄清這個問題不但對解釋二體磨損與三體磨損的相同之處和不同之處有幫助,而且對三體磨損模型的建立更具有指導意義。本文的目的旨在揭示二體與三體磨損之間的關系,從而為三體磨損的模型建立提供理論依據。作為摩擦學上的概念,二體磨損和三體磨損的提出和系統分析與20世紀60~70年代風靡一時的工程學研究方法是分不開的。所謂系統分析就是把被研究對象及其環境當成一個系統,研究系統的輸入與輸出之間的對應關系。按照系統分析的方法,磨損系統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。根據上述的分析,二體磨損指的就是只有第一體和與其對磨的第二體的磨損;而三體磨損自然是指系統中三體都存在時的磨損。從表面上看,上述的定義已經是很清楚的了,其實不然。因為定義中并沒有指出第三體的約束情況。正因為如此,就產生了2種截然不同的對三體磨損定義的解釋。一種以為:第三體是可以自由運動的(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重得多。因為低約束的第三體可以以最低的能量狀態在2個磨面之間運動(或滾動或滑動),由其產生磨損應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,對磨料磨損按二體、三體磨損劃分提出了質疑。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該再用了。因為它會引起概念上的混亂。取而代之是根據材料在磨料磨損中的表現劃分為: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的關系曲線上來劃分的話,Ⅰ區之間對應著輕度磨損;Ⅱ區之間對應著重度磨損;Ⅲ區之間對應著極度磨損,這種劃分有一個明顯的好處,就是它考慮了磨損中常見的磨損過渡現象(或稱為磨損突變)。而磨損率的突然變化是與材料的磨損機制的變化有直接的關系的。其實,在20世紀70年代末就有人注意到二體與三體磨損之間的關系問題了,比較典型的研究工作是美國加州大學的MISRA和FINNIE作的。他們從材料的硬度、加工硬化指數、磨料的尺寸、載荷和熱處理等幾個方面研究了二體與三體磨損的異同點。不過,他們的工作總體上講比較初步,即只注意到對磨損現象的羅列,沒能從磨損的微觀機制上給出解釋,而且也沒有把這些工作同三體磨損的模型建立聯系起來。本文將對上述問題作出自己的闡述。1第二和第三磨損的起點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系在所有與材料的抗磨損性相關的機械性能中,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二體和三體磨損的影響是相同的就有些片面了。因為從PRASADN和ZUMGAHVKH等人的工作來看,對于三體磨損而言,硬度與耐磨性的關系遠不是線性增加那樣簡單的,見圖3、圖4(見下頁)。這種V型和S型的典線關系在三體磨損的工況中是比較典型的。產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制來解釋:二體磨損的機制主要是微切削,而三體則是塑變加切削的機制。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制來實現的,材料的硬度越高,因層剝而導致的磨損量就越大)。圖5是根據方亮等人的工作而繪制的,圖中的2條點劃線Wc和Wd分別代表了切削磨損和塑變磨損,圖中的峰形實線則代表了兩者共同作用的結果。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律。對二體磨損而言,其磨損率與載荷呈線性關系,載荷越大,磨損率越高。對三體磨損而言,在低載荷范圍內,磨損率隨載荷的增加呈緩慢增長的趨勢;隨著載荷的進一步增加,磨損率逐漸達到線性增長。三體磨損的磨損率在低載荷區增長緩慢的原因可能是: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,這樣磨料對被磨材料發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內增長緩慢。而二體磨損中,由于磨料是固定的,只要磨料與磨面之間構成的攻角大于臨界的切削攻角,磨料就產生微切削作用。這就解釋了為什么在低載荷范圍內,二體和三體磨損出現上述的差異。1.1.3第三體磨損時被磨粒的磨損機理從圖7(見下頁)來看,三體磨損實驗存在一個比較明顯的跑合期,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于二體磨損的原因是三體磨損的主要磨損機制為多次塑變(或微觀壓入)導致的變形層的疲勞斷裂機制。因為被磨材料的表面在第三體磨粒的反復的滾壓作用下會發生反復的塑變→加工硬化→脆性斷裂的過程。當然發生這樣的過程是要在一定的磨損長度L內才能完成的。具體表現在磨損圖上就是需要一定的跑合期才能達到穩定的磨損速率。而二體磨損則不然。它主要是靠微機削機制面產生磨損,是不需要跑合期的。1.2差異的原因分析以上只對二體和三體磨損的差異作了討論,并分析了產生這些差異的原因。其實,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。通過下面對共同性的討論就可以看出這點來。1.2.1加工硬化。在現代社會,我國從圖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。再從圖2中RABINOWICZ的工作也可以看到熱處理同樣對提高碳鋼抗三體磨損的能力也是有效的。至于加工硬化,無論是對二體磨損還是三體磨損都不起作用。提高硬度對增加材料的微切削的抗力是有促進作用的。這就是為什么通過熱處理提高碳鋼的硬度后會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產生預期的效果呢?這主要是因為在磨料磨損工況下,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,是材料經加工硬化后的硬度與其抗磨性有關,而不是材料在未加工硬化時的硬度與其抗磨性有關。所以有不少的學者建議磨料磨損模型中的硬度應該指的是材料磨面在磨損后的硬度。1.2.2被磨材料表面的嚴重塑變層厚度對磨損率的影響從圖8中可以看到磨粒尺寸對二體和三體磨損磨損率的影響是相似的。即都存在一個臨界尺寸Dc,在小于Dc時,隨著粒徑的增加,磨損率是迅速上升的,當超過Dc時,再增加粒徑,對磨損率的影響已是十分微弱的。要解釋磨粒尺寸對磨損率的影響,首先對磨損規律要有兩點認識:①被磨材料表面的嚴重塑變層的厚度只與荷載大小P有關,而與粒徑無關;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量就小,而單個磨粒承受的載荷就大,壓力深度也就大。反之亦然。對于一定的載荷,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。當超過Dc時,磨粒的壓入深度超過了嚴重塑變層的厚度時,這時再繼續增加粒徑已對磨損率的提高作用不大了。1.2.3過渡型磨損機制從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Hm/Ha低于0.8時,磨損量是比較高的(一般稱之為硬磨料磨損),在這2個閾值之間的磨損稱之過渡型磨損。在過渡型磨損范圍內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象。從磨損機制上講,在軟磨料磨損的條件下,低周疲勞磨損機制則占主要地位。此時,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作用于磨面,磨損率自然就比較高了。2體磨損的響應分析前面在討論二體和三體磨損異同點時,己對產生差異性和類同性的原因提出了微觀機制上的解釋。并且,前面已經提到過,所謂二體磨損指的就是當磨料完全或大部分被約束時的三體磨損,即二體磨損是三體磨損的特例,而三體磨損更具普遍性。二體磨損時滑動的磨粒可以引起磨面的切削磨損,也可以導致塑變磨損。在三體磨損時,滾動磨料(有一部分是時滾時滑)主要是引起磨面的塑性變形。根據LUDEMAKC的觀點,金屬發生了塑性變形的地方如再經歷其他磨料的反復作用,就可能導致疲勞磨損。所以,如從磨料顆粒運動方式對金屬磨損的影響,可以概括如下:磨料顆粒運動方式{滑動磨料(二體磨損)切削磨損滾動磨料(三體磨損)塑變磨損(可能導致疲勞磨損)磨料顆粒運動方式{滑動磨料(二體磨損)切削磨損滾動磨料(三體磨損)塑變磨損(可能導致疲勞磨損)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容上與三體磨損的模型應該是比較接近的。設ωs塑是塑變部分引起的磨損,因為是多次塑變(或低周疲勞)導致的變形層的剝落,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是材料發生低周疲勞破壞的力循環次數的倒數,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就是磨粒的滑動幾率Pc和滾動幾率pr。上面有關模型的分析雖然有點簡單化,但它對于解釋二體和三體磨損的關系還是有所幫助的。將式(2)中的f1取1,而f2取0時,式(2)就變為二