（钢铁冶金专业论文）45钢磨损性能和磨损机制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文系统研究了4 5 钢的显微组织和实验条件对摩擦磨损性能的影 响及规律，采用扫描电镜、能谱仪和x 射线衍射物相分析仪等手段对 磨损表面、磨损剖面及磨屑的形貌及成分和结构进行了观察和分析， 探讨了4 5 钢的磨损机理。对于金属材料在大气环境下氧化磨损的研究 具有重要的学术意义。 实验结果表明：回火组织对4 5 钢磨损失重的影响取决于载荷大小。 在5 0 1 0 0n 的低载荷下，不同回火组织的磨损失重变化不大，随着 载荷增大，回火组织对磨损失重有显著影响，磨损失重随着回火温度 的升高和硬度降低而增加。环境温度对磨损失重有较明显的影响。在 室温和2 0 0o c 条件下的磨损失重相差不大，但均明显低于4 0 0o c 时磨 损失重。在不同的实验条件下4 5 钢的磨损机理表现为：在常温及2 0 0 0 c 、5 0n 条件下，主要是磨粒磨损和粘着磨损； 2 0 0o c 、1 0 0 1 5 0n 及4 0 0o c 、5 0 1 0 0n 条件下，为氧化疲劳磨损，氧化物层以f e 3 0 4 为 主，还有一定量的f e 2 0 3 和f e o ，产生的磨屑为f e 3 0 4 、f e 2 0 3 和f e 的 混合物；4 0 0o c 、1 5 0n 条件下，转变为塑性挤出。 关键词：4 5 钢；磨损性能；微观组织；磨损机制；实验条件 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so ft e m p e r i n gt e m p e r a t u r e sa n do p e r a t i o nc o n d i t i o n so n t h ew e a rr e s i s t a n c eo f4 5s t e e lw e r es t u d i e d t h em o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o n ， a n ds t r u c t u r eo fw o r ns u r f a c e sw e r ee x a m i n e da n da n a l y z e du s i n gs e m ， e d sa n dx r d t h ew e a rm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d t i l i si so fa l l i m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ho fo x i d a t i v e w e a r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fm i c r o s t r u c t u r eo nt h ew e a rl o s s d e p e n d e do nt h el o a d u n d e ral o wl o a do f5 0 - 1 0 0n ，t h e r ew a sn o t a p p a r e n ti n f l u e n c eo fm i c r o s t r u c t u r eo i lw e a rl o s s w i t hi n c r e a s i n gt h el o a d ， t h em i c r o s t r u c t u r e sm a r k e d l ya f f e c t e dw e a rl o s s t h ew e a rl o s si n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ea n dr e d u c i n gh a r d n e s s t h ea m b i e n t t e m p e r a t u r ea l s oh a da p p a r e n ti n f l u e n c eo nw e a rl o s s t h ew e a rl o s s e sa t r o o mt e m p e r a t u r ea n d2 0 0o ca p p r o a c h e de a c ho t h e lb u tt h e ya r em a r k e d l y l o w e rt h a n t h o s ea t4 0 0o c t h e r ea r et h r e et y p e so fw e a rm e c h a n i s m s u n d e rt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n si n4 5s t e e l a b r a s i v ew e a rp r e v a i l e da tr o o m t e m p e r a t u r ea n du n d e ral o a do f5 0n a t2 0 0o c o x i d a t i o nw e a rp r e v a i l e d u n d e r1 0 0 1 5 0na t2 0 0o ca sw e l la su n d e r5 0 1 0 0na t4 0 0o c t h e o x i d e sa r ec o m p o s e do ff e 3 0 4 ，as m a l la m o u n to ff e 2 0 3a n df e o t h e w e a rd e b r i si n c l u d e dt h em i x t u r eo ff e ，f e 3 0 4 ，f e 2 0 3a n df e o p l a s t i c e x t r u s i o np r e v a i l e du n d e r1 5 0na t4 0 0o c k e yw o r d s ：4 5s t e e l , w e a rr e s i s t a n c e ；m i c r o s t r u c t u r e ；w e a r m e c h a n i s m , e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密画。 学位论文作者签名： 2 0 l o 月多日 互浮 苕劲j 詹矿 和， 彩妒 名 扩 签 年 隧 年 教 毗 导 2 匕日ir 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 缭 日期：2 0 1 0 年月 江苏大学硕士学位论文 1 1选题目的与意义 第一章绪论 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互 关系的理论与应用的- - 1 3 边缘学科【1 1 。所有机器和机构的运转都是依赖其零件副的 相对运动，有相对运动就有磨损，磨损导致表面损坏和材料损耗，是造成零件失 效和材料损耗的主要原因。统计分析表明：世界能源约有一半以上是以不同形式消 耗在克服机械零件对偶表面相互作用的摩擦、磨损上面，大约有8 0 的零件失效是 由于各种形式的磨损引起的。磨损是机械材料失效的主要三种形式之一，磨损造 成的经济损失十分巨大，在美国因摩擦磨损造成的经济损失每年超过2 0 0 0 亿美元。 我国每年因摩擦磨损造成的损失据测算达上千亿元人民币任何减少磨损的措施都 能延长零件的使用寿命，因此，开展磨损研究对于提高机器设备的质量和节约原 材料无疑具有重大意义【l 。而要达到控制和减少磨损的目的，磨损机理的研究极 其重要。从摩擦学诞生的那天起，磨损机理的研究一直是摩擦学研究的重点，但 由于摩擦学的系统特征所表现出的强烈的系统依赖性、不可移植性和过程的时变 特征【4 】，导致摩擦学研究具有不同于一般研究的复杂性和艰巨性，因此，磨损机理 的研究仍没完善，仍是一个有待更进一步研究的课题。 在摩擦力的作用下，钢铁材料接触表面间的化学反应在很大程度上决定了其 摩擦学性能。许多摩擦系中，总磨损率由接触表面的氧化速率决定。若要氧化磨 损机理占主导地位，基体必须具有足够的强度，能在摩擦热作用下形成氧化膜。 基体强度不足，表层和次表层剪切变形产生的材料损失将超过氧化速率，造成严 重磨损。根据大量文献报道可知，国内外对磨损机制进行的一些研究，已认识到 氧化物形成、生长和剥落在磨损中的重要作用，但氧化磨损的机理尚不够完善。 4 5 钢是最常见的优质碳素钢材料之一，其磨损性能在金属材料中很具代表性， 所以在讨论金属材料磨损性能的时候常会采用4 5 钢作为参照对象，然而目前对4 5 钢磨损性能的研究过于简单、单一。本文系统研究了4 5 钢的显微组织和实验条件 对摩擦磨损性能的影响及规律，采用扫描电镜、能谱仪和x 射线衍射物相分析仪 等手段对磨损表面、磨损剖面及磨屑的形貌及成分和结构进行了观察和分析，探 江苏大学硕士学位论文 讨了4 5 钢的磨损机理。这对于金属材料在大气环境下氧化磨损的研究具有重要的 学术意义。 1 2 钢的磨损理论的研究概况 1 2 1摩擦磨损 摩擦学m i b o l o g y ) 名词是在1 9 6 6 年才出现的，摩擦学是研究相对运动的相互 用表面的有关理论与实践的一门科学与技术，是研究两表面摩擦、磨损、润滑相 关联的科学与技术的总称【5 1 。磨损是由于物体表面相对运动，依靠机械的和化学作 用致使表面的物质不断地去除，摩擦的结果一般会形成磨损，但在特定条件下流 体润滑中，外摩擦转变为内摩擦) 有能量损失却不一定有材料损失，因此摩擦、损 与润滑是相互关联的。 意大利的d a v m e i ( 达芬奇) 、法国的a m o n t o n ( ；可蒙顿) 和c o u l o m b ( 库仑) 对摩擦 学的发展做出了极大的贡献，他们创立了三个摩擦定律，v i n c i 认为摩擦力是物重 量或负载的，且对于所有的材料都一样，即摩擦系数为0 2 5 ；a m o n t o n 在1 6 9 9 发表的摩擦定律为：滑动摩擦阻力的大小与接触面间的法向负载成正比，与名义接 触面积无关。1 7 8 5 年c o u l o m b 在试验时得到的结论是：两个相对运动物体表面的 界滑动摩擦阻力与滑动速度无关【5 1 。上述的三个摩擦定律是建立在刚性力学的基础 上，且是在力学发展的初期，所以有局限性；它无法解释摩擦过程能量的消耗， 也与摩擦系数在运动过程中是变化的相违背，它只能算是经验规则。在二十世纪 以来，在阐明摩擦机理方面提出了各种理论，如机械理论、分子吸附理论、粘着 磨损理论、分子机械理论等。在解释磨损起因方面，有粘着磨损理论、表面疲劳 磨损理论、磨粒磨损理论等。在润滑理论方面，有流体动压润滑理论、流体静压 润滑理论和弹性流体动压润滑理论等。根据不同条件，对摩擦和磨损的具体分类， 分别见表1 - 1 和1 - 2 6 , r l 。 2 江苏大学硕士学位论文 表1 - 1 摩擦分类 t ，山l e1 1f r i c t i o nc l a s s i f i c a t i o n 表1 - 2 磨损的分类 亿l b l e 1 2w e a rc l a s s i f i c a t i o n 1 2 2 氧化磨损机理 从上世纪五十年代，a r c h a r d 和h i r s t 8 】首次发现氧化膜与钢磨损有着密切关系 3 江苏大学硕士学位论文 以来，对包含有氧化膜的磨损模型进行了广泛的研究，同时，对于氧化膜生长方 面的知识和理论也得到了发展，这些研究成果被用来解释这种特殊的摩擦现象， 出现了包含有氧化物膜的氧化磨损理论。 l i r a 和a s h b y 区分氧化磨损为两种状态，轻微氧化磨损和严重氧化磨损。在这 里轻微或严重指氧化的程度，而非磨损程度。并指出1m s 的滑动速度需要给出足 够的热量，而使氧化变得显著，在1m s 时闪点温度达到7 0 0 0 ( 2 ( 室温磨损) 。还指 出，滑动速度超过1 0m s ，氧化变得更彻底，导致向严重氧化磨损转变，这时氧化 物变成塑性，局部发生熔化，出现粘性液体流动。 按照a r c h a r d 和n i r s t 的观察，轻微磨损是依赖于氧化膜的存在，由此奠定 轻微磨损的理论。文献【9 】发现氧化膜的形成时间比其在磨损中发生破坏时间长得多。 大多数氧化轻微磨损理论都基于这样的概念，即氧化物膜的慢速生长，达到控制参 数的一定值( 如氧化膜的厚度) ，发生瞬间断裂。对于钢，临界氧化物膜厚度为1 0 p m ， 达到临界厚度时，氧化物膜剥落造成磨损【砌。此外，氧化物薄膜通过磨损接触逐渐 破坏，加速了氧化膜的生长速率。t a o 1 1 1 、t e n w i c k 和e a r l e s 1 2 1 、q u i r m 【1 3 1 、w i l s o n 1 4 】 等都提出了相应的氧化磨损理论，其中q u i n n ，w i l s o n 的理论应用较广。 q u i n n 的理论用于高滑动速度的轻微磨损，接触温度达到几百度。该情况下在 钢的磨损表面发现厚板状的氧化物层，由于氧化物层厚到足以从磨面上剥离，在 磨损刚开始，未磨损表面形成的氧化膜被破坏，导致严重磨损的初期开始，然后 通过未知的过程，磨损表面恢复，达到轻微磨损的状态，形成厚的氧化膜，使磨 损速率从开始高速率陡降。当氧化膜达到临界厚度，变得太弱而无法承担载荷和 摩擦剪切应力而脱落。摩擦接触温度非常高，使得氧化膜的生长明显，但只限于 接触的凸点面积。图1 3 示出了q u i n n 氧化磨损理论示意图。最近在硬层和软基体 界面应力分析【1 5 j 指出，当在某一厚度的硬膜表面承受周期的接触应力时，在膜与 基体界面上出现高的剪切应力集中导致膜的破坏。f e 3 0 4 比钢硬得多，而f e o 不是。 因此增加温度，氧化物膜结构变化，其失效机制可能发生变化。但未提到基体性 能特性等对膜剥落的影响，其影响应该是必然存在的。对于保护膜表面硬化和氧 化都是必要的，对于退火钢硬化是由变形产生的。因此，在轻微氧化磨损条件下 氧化膜和基体的相对力学性能是很重要的。 h o n g 等提出了对于q u i n n 氧化磨损理论的修改，q u i n n 认为磨损率与氧化成 4 江苏大学硕士学位论文 线性规律以及与摩擦表面实际接触面积成正比【1 6 1 。但是根据很多磨损试验以及磨 损表面的微观分析，很少有证据能证明q u i n n 的理论，即磨损率和氧化率成正比【1 7 1 。 w i l s o n 等的理论研究了每秒几毫米慢速滑动磨损条件下，大气和环境温度对 磨损的影响，见图1 4 。其与q u i n n 的模型完全不同，提出未磨损面上的氧化膜是 逐渐破坏的，随后出现一段时间的严重磨损，随着金属和氧化物磨屑积累形成 厚层，使之达到轻微磨损。其摩擦系数的方程由于接触状态不同依据下面三种不 同的摩擦力；1 ) 两个面都覆盖有厚的氧化物层；2 ) 一个面有厚的氧化物层，而另 一面没有；3 ) 两个面都没有厚的氧化物层。摩擦系数随滑动距离而变化，取 决于上面三种接触面情况。随着金属金属接触面积的减少，低摩擦厚氧化物层的 扩展减慢，摩擦系数接近于渐近的恒值。 试验葺e 一芦嗡；目胄；，开始的薄 、竺7 批物膜 晟 图1 3q u i n n 氧化磨损理论示意图 ( 1 ) 厚氧化膜的断裂：( 2 ) 形成的厚氧化膜：( 3 ) 接触点厚氧化膜形成开始阶段； ( 4 ) 无接触( 无厚氧化膜形成) f i g 1 - 3i l l u s t r a t i o no fo u i n n st h e o r yo fo x i d a t i v ew e a l ( 1 ) f r a c t u r eo ft h i c ko x i d er a m , ( 2 ) f o r m a t i o no ft h i c ko x i d er a m , ( 3 ) s t a r t i n gs t a g eo ff o r m i n g t h i c ko x i d ef i l ma tc o n t a c ta s p e r i t y , ( 4 ) n oc o n t a c t ( w i t h o u tt h i c ko x i d ef t l i n ) 5 江苏大学硕士学位论文 ，l ：n l s n m 氯化物奠 化物妥 化物虞 犀氯化物虞的细节 1 5 n m 厚抗拈的薄 鬟化物膜 直径5 一, 5 0 0 r i m 致密 氧化物磨屑层 l l a m 图1 _ 4w i l s o n 等的氧化磨损理论示意图 f i g 1 _ 4t h em o d e lo f m i l do x i d a t i o nw e a ro fw i l s o ne ta 1 在轻微磨损下，o u i n n 和w e l s o n 对表面条件的分析似乎存在矛盾【堋。o u i n n 计 算的热点温度是在2 5 0 , - - - 6 5 0o c 之间典型的氧化。而w e l s o n 计算的温度大于9 0 0o c ， 并观察到氧化物下面的金属相硬化。o u i n n 的温度是金属和氧化物界面表面下5 1 x m 处的温度。w e l s o n 认为氧化物下面金属的硬化对氧化物的保护作用是必须的。 综上所述，o u i n n 的理论是在较低载荷下的轻微磨损，磨损面接触处的氧化膜 可充分生长，直到氧化膜达到临界厚度，开始剥落。虽然也有外力的作用，影响 作用很小。在这种情况下，磨损与基体无关，只与氧化物膜有关。而在w i l s o n 等人的理论中磨面接触温度很高，金属的氧化快，在外力作用下氧化膜逐渐剥落 和磨屑聚集烧结形成釉面来达到轻微磨损，基体硬化对氧化物膜的支撑作用尤为 重要。醐r 1 9 】【2 0 】等都分别报道过基体组织对氧化磨损速率有显著影响，其研 究只指出影响规律，但对其原理均未给予表述。而且这样的影响无法用目前的氧 化磨损理论加以解释。 6 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 实验条件对钢摩擦磨损性能的影响 对于大多数钢，随着接触压力、滑动速度和环境温度等工况条件的变化，其 磨损率及摩擦系数会发生变化，存在着由于摩擦磨损机理改变而引起的性能突变。 在大多数情况下，随着速度和接触压力的提高，产生的摩擦热量增多，钢与 配副的摩擦系数降低，磨损率提高。h s o 2 1 】对中碳n i c r - m o 合金钢的研究表明， 随着接触压力和摩擦速度的提高，中碳合金钢的摩擦系数降低，而磨损率提高， 而且速度与接触压力之间存在着比较强烈的交互作用，即在高速条件下，接触压 力对中碳合金钢摩擦磨损性能影响的幅度明显大于低速条件下。h s o 将这种交互 作用归因于摩擦速度和接触压力对接触区温度的作用。s o 的进一步研究表明【捌， 钢的摩擦系数、磨损率与摩擦表面温度及表面氧化之间存在良好的关系( 图1 7 ) 。 即使在同样配副条件下，配副关系变化，摩擦表面温度也将有明显的差异( 表1 1 ) ， 钢的摩擦磨损性能也将会发生改变。 表1 - 3 相同配副材料、不同配副关系的摩擦表面平均温度 2 2 1 ( ) t a b l e1 - 3m e a ns u r f a c et e m p e r a t u r e ( o c ) a ta p p a r e n tc o n t a c ea r e am e a s u r e da ta s l i d i n g d i s t a n c eo f1 2 0 0 m , s l i d i n gs p e e d2 m sa n dc o n t a c tp r e s s5 5 m p a 滑动距离1 2 0 0 m 、滑动速度2 m s 、接触压力5 5 m p a 7 江苏大学硕士学位论文 窑 董 & 点 图1 5 钢配副摩擦表面温度与摩擦磨损性能瞄】 f i g 1 - 5s u r f a c et e m p e r a t u r ea n dw e a rp r o p e r t i e so fs t e e l s 可以看出，对于高碳钢和中碳钢组成的销盘摩擦副，当高碳钢由销试样改变 为盘试样后，摩擦表面温度显著降低；而当销试样由运动状态转变为固定状态后， 摩擦表面温度明显提高。摩擦表面温度的变化必然导致其磨损性能的变化。研究 结果表面，固定销试样条件下，销试样的磨损率显著高于运动销试样条件下的磨 损率( 见图1 6 ) 。 p n ：s 舅t ( m p i ) 图1 6 不同配副状态下中碳钢销高碳钢盘配副中碳钢的磨损率四】 f i g1 - 6c o m p a r i s o no fw e a rr a t e s b e t w e e nr u b b i n g p a i r sm a d eo fm e d i u mc a r ) o l ls t e e li n d i f f e r e n ta r r a n g e m e n t s 文献2 4 1 对摩擦速度、接触压力、表面温度、摩擦磨损性能与摩擦磨损机理的 进一步研究表明，在低速、低接触压力条件下，摩擦表面温度较低，这时钢的摩 擦磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主，钢的磨损率较低、摩擦系数较高。随着 速度和压力的进一步提高，出现了严重的氧化，这时氧化控制了摩擦磨损过程， 8 江苏大学硕士学位论文 表现为严重的氧化磨损和材料的塑性挤出磨损，导致磨损量显著提高，摩擦系数 大幅度降低。 l e it 等【2 5 】研究认为对于不同碳含量、不同原始组织的钢，在不发生严重磨损 的条件下，接触压力或速度发生改变时，钢摩擦磨损机制的变化与钢的原始组织 关系不大。无论在何种接触压力条件下，只要不发生严重磨损，不同原始组织之 间的磨损量差别较小；表征摩擦性能的能量消耗也没有明显的规律性。同样对于 共析钢，经不同热处理后，即使硬度差别很大，其轻微磨损的磨损量也基本相同。 刘佐民等【2 6 】采用强制加热的方法，对不同环境温度条件下m 5 0 高速钢的摩擦 磨损特性进行了研究，得到图1 7 所示的关系。从图可以看出，当环境温度处于 2 0 3 0 0o c 时，材料的磨损体积随温度的提高而明显增大，而摩擦系数的增大甚微； 当温度高于3 0 0 之后，摩擦系数已经开始快速降低，而磨损体积仍继续增大； 当温度上升到4 0 0o c 时，材料的磨损体积也开始快速降低。由此可见，在不同的 温度区间，温度上升对钢摩擦磨损性能影响是完全相异的，这种完全相反的影响 规律与摩擦磨损机理的改变密切相关，认为m 5 0 高速钢在3 0 0 4 0 0o c 存在着弹 性塑性转变。当温度低于塑性转变温度时，钢的塑性变形能力决定了其摩擦磨损 性能，而超过该温度范围后，表面膜特性成为摩擦磨损的控制因素。 w 图1 7m 5 0 钢不同环境温度下的摩擦系数和体积磨损量瞄l f i g 1 - 7f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rl o s so fm s 0s t e e lu n d e rd i f f e r e n ta m b i e n tt e m p e r a t u r e 文献 2 8 1 1 开究了过共析钢从室温到4 0 0o c 的磨损行为。认为保护铁表面的氧化 物膜不是决定其磨损行为的主要因素。在恶劣的滑动条件下，磨损行为与氧化物 层从基体剥离密切相关。淬火钢的磨损行为受高温下组织变化和硬度降低的强烈 影响，而且载荷对过共析钢的磨损也有明显影响。随着载荷增加磨损加剧。淬火 钢硬度的增加有效地减少磨损，然而当磨损过程温度升高导致组织改变后硬度增 强作用消失。在某些条件下淬火处理加剧磨损，这时严重磨损条件下形成的氧化 9 江苏大学硕士学位论文 物膜断裂，严重磨损开始。而正火钢磨损减少是由于当氧化物极易形成时具有的 润滑作用。环境温度很高时，由于磨屑粘覆在表面具有降低磨损的作用。然而在 严重磨损条件下，粘覆磨屑作用消失，从轻微磨损转变为严重磨损。 在4 0 00 c 、1 9 6n 下，随滑动速度的提高磨损量增大，滑动速度达到0 2 5m s 时出现从轻微磨损向严重磨损转变，磨损量急剧增大。随着载荷增加磨损量提高， 在1 9 6n 下磨损0 3k m 也会出现从轻微磨损向严重磨损转变。在低载荷和低的速 度o 2m s 时随着温度的提高磨损量降低，室温为严重磨损。以上为正火态低硬度 钢( 2 6 0h b ) 的结果。对于高硬度淬火钢( 7 4 6i - m ) 在大载荷1 9 6n 下，相对于正火 态低硬度钢，磨损量极低，随着温度的提高，磨损量增加，出现向严重磨损转变 的磨损距离提前，4 0 0 时转变点为0 2k m 。 摩擦热的作用导致钢组织性能的变化是速度与接触压力对其摩擦磨损特性产 生影响的根本原因，但对于不同的钢，这种影响的程度不同。一旦发生了严重磨 损，不同组织钢的摩擦磨损性能将有明显的差异。w a n g 等【2 9 】研究认为对于高碳钢， 发生严重磨损后，其耐磨性按马氏体+ 碳化物、粒状组织、马氏体、贝氏体、片状 珠光体的顺序依次递增。 磨损图是研究和预测不同滑动速度和接触压力条件下摩擦副材料磨损行为的 一种有效工具。根据磨损图可以大致判断材料的使用范围，为不同服役条件下摩 擦副的合理选材提供理论依据。 虽然钢在滑动接触表面间的磨损现象十分复杂，但也可用数据来量化表征材 料磨损的快慢程度。一般来说，滑动速度、接触压力和环境温度等试验参数范围 越宽、重复试验次数越多，得到的磨损实验数据越有价值、越可靠，也越有助于 不同工况条件下选择材料。磨损数据有多种表达方式，如表格法、图形法。图形 法的名称也多种多样，如磨损类型图、磨损区域图、磨损转换图、微动磨损图、 腐蚀磨损图、磨损机制图等【3 0 1 。 早在1 9 4 1 年，o k o s h i 3 1 】建立了钢的三维磨损图，其3 个坐标轴参量分别为滑 动速度、接触压力和磨损率。之后，许多学者对干滑动条件下钢的磨损进行了研 究，建立了一系列磨损图，其中最具代表性的有c h i l d s 、k a t o 和l i r a 所建立的磨 损图。c h i l d s l 3 2 1 建立了软钢的磨损区域图，图中将磨损分为a 、b 、c 、d 、e 这5 个区域。k a t o 3 3 利用s e m 结果将钢的磨粒磨损分为切削、楔入和犁沟3 种机制。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 9 8 7 年l i m 以滑动速度和载荷为自变量，以磨损量的数值大小划分为轻度。中度 和重度磨损区域，建立了干摩擦条件下钢的二维磨损图【3 2 】和钢的磨损转变图【3 q 。 大多数磨损图是以滑动速度和接触压力为自变量，以磨损量或磨损率的数值 大小划分为轻度、中度和严重磨损区域，但也有少数学者用摩擦界面温度的数值 大小来划分磨损的轻重程度。1 9 9 1 年a s h b y 3 3 1 以摩擦界面温度的数值大小来划分 磨损的程度，建立了钢的温度磨损图，认为当滑动速度和载荷大于某一转折速度 时，高的界面温度决定了摩擦副的磨损机理，如发生氧化、相变或熔化；而低于 转折速度时，摩擦界面温度较低，磨损类型主要受材料的变形程度所控制。此后 h s o p 5 】将磨损分为3 种形式，当低载时主要的磨损形式为粘着和磨粒磨损。当载 荷超过4 4m p a ，滑动速度超过3m s ，材料的失重原因主要是从摩擦副中塑性挤 出，磨损量较大，在这两种极端形式中间为氧化磨损的区域。 1 3 本文主要研究内容 本文从影响磨损性能的内、外部因素出发，研究了热处理工艺和实验条件对磨 损失重的影响及规律，并通过对磨损表面的形貌、结构、成分的分析，探讨了4 5 钢的磨损机理。具体研究内容如下： 1 研究4 5 钢回火后不同显微组织及其对磨损失重的影响规律。 2 研究环境温度、载荷对磨损失重和磨损系数的影响规律，分析不同实验条件下 的磨损表面剖面和磨屑的形貌、成分和结构。 3 根据不同实验条件下磨面、剖面、磨屑的基体形貌和特征的变化，探讨4 5 钢随 实验条件变化的磨损机理。 江苏大学硕士学位论文 2 1实验材料及制备 2 1 1 实验材料 第二章实验方法 本研究采用的4 5 钢的基本化学成分如表2 - 1 所示。试验用4 5 钢的主要化学 成分如表1 所示。4 5 钢的a s 为3 5 5m p a 、t r b 为6 0 0m p a l 3 6 】。4 5 钢的临界温度a c l 为7 2 4 、a c i n 为1 1 0 0o c 、m 。点约为3 4 0o c 3 7 1 。 表2 - 1 实验用钢的化学成分( 质量百分比) t a b l e2 1c o m p o s i t i o n so ft h er e s e a r c hs t e e l s ( w t 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一i _ _ _ _ _ _ _ _ 一 元素 cs im nc rn ips 成分0 4 2 - 0 5 00 1 7 - 0 3 70 5 0 - 0 踟 0 2 5 0 2 5郢0 4如0 4 2 1 2 试样制备 从市场上购来的4 5 钢，经粗加工后得到西6m m x l 2 0m i l l 圆柱形试样，用磨 床精磨，再经线切割切成标准西6 m m x l 2 m m 销，经热处理得到最终磨损试样。采 用c r l 2 m o v 钢加工成西7 0 m i n x 8m i l l 的对磨盘，淬火回火后硬度为6 2h r c 。销 和盘的外观尺寸见图2 1 。 (a)(b) 图2 - 1 销试样( a ) 与盘试样( b ) 的尺寸 f i g 2 - 1s i z eo f p i n ( a ) a n dd i s k 嘞 1 2 江苏太学硕士学位论文 4 5 钢采用淬火温度8 4 0 奥氏体化2 5m i 丑后饱和食盐水冷却，然后分别在 2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 和6 0 0 回火( 保温2 h ，空冷) 。在热处理过程中，为防止钢在 淬火和回火时产生脱碳现象，热处理采用了防高温氧化涂料保护。 22 磨损实验 磨损试验是在m g - 2 0 0 型销盘式高温高速摩擦磨损试验机上进行的，高温磨 损实验机见图2 - 2 。销试样为4 5 钢，对磨盘为c r l 2 m o v 冷作模具钢，实验条件为： 干滑动摩擦磨损条件；实验温度有室温、2 0 0 和4 0 0 ；载荷取5 0 、1 0 0 、1 5 0 n ， 滑动速度为1m s ，每次实验时间为2 0m i l l ，每次滑行距离为1 2 x l 护m 。 图2 - 2m g - 2 0 0 高温摩擦磨损试验机 f i g 2 - 2 m g 2 0 0h i g h m f r i c t i o na n d m ”t e s t i n g m a c h i n e 试样磨损率根据下列公式计算： w s = v ( vx d )佗1 1 式中：y 为磨损体积( 磨损失重删销试样密度p ，p = 7 8 9 锄3 ) 江苏大学硕士学位论文 为载荷；d 为滑行距离，d - 1 2 x 1 0 3 m 。 采用电阻炉加热，温度由热电偶和控温仪表自动控制。摩擦转矩由传感器测 得，并由计算机直接给出。高温磨损实验的磨损量用称量法来确定，实验用电子 分析天平e 1 8 0 ( 精度为0 0 1r a g ) 称量试样在磨损前后的重量，再求出磨损失重m ， 每个规范取三个试样的平均值。试样和磨盘在磨损前将接触面研磨光滑并用丙酮 清洗干净，保证实验在干磨损条件下进行。磨损试验的机理见图2 3 。 i ! il i i t 图2 - 3 高温磨损实验原理示意图 1 夹具2 试样3 对磨盘 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g ht e m p e r a t u r ew e a rt e s t i n gm a c h i n e 1 f i x t u r e 2 s a m p l e 3 a b r a s i v ed i s c 2 3 性能测试及微观分析 2 3 1 硬度 采用h r 一1 5 0 a 型洛氏硬度计测量销试样在淬火和回火后的硬度值。在每个 试样上测三点硬度，取平均值作为测试结果。 2 3 2 微观分析 采用j s m 7 0 0 1 f 型扫描电镜对磨损表面形貌进行观察与分析，并采用外挂 i n c ae n e r g y 3 5 0 型分析磨面的微区成分。 在d m a x 2 5 0 0 p c 型x 射线衍射仪上，采用c u 的k a 射线分析磨面和磨屑的 物相组成。实验电压为4 0 k v ，电流为2 0 ( h n a ，衍射扫射角度为5 。m i n 。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章热处理工艺和实验条件对磨损性能的影响 3 1 热处理工艺对4 5 钢磨损性能的影响 3 1 1 显微组织和硬度分析 4 5 钢是一种用途广泛的中碳结构钢，具有良好的锻造工艺性能能和机械加工 工艺性能，其强度、硬度、耐磨性等性能与热处理工艺有关【3 7 1 。4 5 钢的热处理主 要目的是改变钢基体的组织结构与性能，该钢的工业淬火温度为8 0 0 8 5 0o c 3 8 1 。 本实验采用先淬火再回火的热处理工艺，先把4 5 钢加热到8 4 0o c 奥氏体化， 2 5m i n 后经饱和食盐水冷却完成淬火，然后采用四种不同的回火温度来研究不同 回火温度对4 5 钢组织和磨损性能的影响，回火温度分别为2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 ， 每次回火保温时间为2h 。 图3 - 1 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、分别分别对应的是淬火后组织、2 0 0 、 3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 回火后的基体组织照片。可以看出4 5 钢在经过淬火后得 到了淬火马氏体组织( 见图1a ) ，呈板条状，另外还伴生了未溶碳化物和残余奥 氏体。回火后随着回火温度的提高，组织发生了复杂的转变【3 7 。3 8 1 。马氏体中的碳 开始发生偏聚，接着马氏体开始发生分解，马氏体中析出弥散分布、小片状的碳 化物，同时过饱和铁素体的碳含量和正方度均下降、成为低碳马氏体( 见图1b ) 。 超过2 0 0 时，残余奥氏体发生分解，3 0 0 1 2 左右，碳化物的晶格、形态、尺寸 及分布都发生变化，4 0 0o c 时逐渐得到回火屈氏体( 见图1c ) ，铁素体基体中弥散 分布着微小粒状或片状渗碳体，铁素体相已回复，其亚结构已不同于马氏体但尚 未再结晶，故仍具有板条马氏体基本形貌；到了5 0 0a c 、6 0 0 , t 2 ( 见图1e ，f ) ，渗碳 体的聚集长大和g 相再结晶，已经生成了回火索氏体，马氏体片状特征完全消失， 图中白色颗粒为的铁素体基体中均匀分布着细粒状碳化物。 江苏大学硕士学位论文 图3 - 14 5 钢不同热处理t 艺f 的组移 形貌 f i g 3 - 1s e m i m a g e o f 4 5s t e e l t h r o u g hd i f f e r e n tp t l o c e s s e so fh e a t t r e a t m e n t ( a ) 淬火：淬火+ 回火( b ) 2 c o 吧：( c ) 3 0 0 ；( d ) 4 0 0o c ；( e ) 5 0 0o c ；( f ) 6 0 0 圈3 ，2 为不同回火温度对4 5 制硬度的影响。可以看出，4 5 钢淬火后硬度随着 回火温度的升高而降低，回火温度越高，硬度下降的趋势越明显。原因在于回火 江苏大学硕士学位论文 温度不断升高，使原有的板条状马氏体不断解体，碳化物慢慢长大，组织中的铁 素体相回复，使组织的硬度迅速下降。淬火硬度为5 3h r c ，2 0 0o c 回火时为4 7 h r c ，4 0 00 c 回火时为3 6h r c ，到了6 0 00 c 回火时降到不足2 0h r c ，这说明了 组织发生了剧烈软化。 星 暑 憾 隧 回火温度( ) 图3 2 同火温度对4 5 钢硬度的影响 f i g 3 - 2h a r d n e s so f 4 5s t e e la saf u n c t i o no ft e m p e r i n gt e m p e r a t u r e 3 1 24 5 钢不同显微组织的磨损性能分析 图3 3 为不同温度回火4 5 钢试样在室温、2 0 0o c 及4 0 0 条件下的磨损失重 情况。由图可以看到，当载荷为5 0n 时，不同回火试样的磨损失重量接近，不同 组织对4 5 钢的磨损性能的影响较小。当载荷提高到1 0 0 、1 2 5n 后2 0 0o c 和4 0 0o c 回火组织的磨损失重随载荷增加的趋势变缓，而5 0 0o c 和6 0 0 的磨损失重迅速 上升，载荷超过1 5 0n 后，不同回火温度的试样磨损失重均上升较快，再次接近， 磨损性能恶化。 室温下( 图3 3a ) ，不同回火组织的磨损失重在相同载荷下比较接近，5 0 0o c 和6 0 0o c 试样的磨损量略高；在2 0 0o c 下( 图3 3b ) 不同回火组织磨损量随载荷 先下降再上升，磨损量在超过1 0 0n 后上涨较快；4 0 0o c 下( 图3 3c ) ，在1 0 0n 时各种回火组织的磨损失重相近，回火索氏体的磨损失重在超过1 0 0n 载荷时就 开始快速增长，而回火马氏体和回火屈氏体磨损失重急剧增加则推迟到了1 2 5n 1 7 江苏大学硕士学位论文 左右。达到1 5 0n 后，5 0 0 、6 0 0 , 1 2 回火组织的磨损失重要明显高于2 0 0 、4 0 0 , t 2 的回火组织。 由此认为载荷超过一定范围后，材料的不同组织对磨损性能敏感，当载荷较 低时，其磨损性能取决于实验条件，不同热处理组织对其影响微弱。高载荷时显 微组织对耐磨性的影响显著，不同显微组织的磨损性能差距较大。 1 8 江苏大学硕士学位论文 图3 - 34 5 钢不同回火组织试样磨损失重 ( a ) 室温和) 2 0 0 ( 0 4 0 0 f i g 3 - 3t h e w c a f f l o s s o f 4 5s t e e l b y 蛐r c n t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e ( a ) r o o m k m p e r a t u r e 2 ( c ) 4 0 0 圈3 - 4 为不同回火组织在1 0 0 n ，6 4 0r r a i n 实验条件下的摩擦系数，观察发 现，2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 回火组织的摩擦系数接近，均在08 上下波动，随着行程的 增大，摩擦系数越来越趋于一致，6 0 0o c 回火组织的摩擦系数要高于前三种组织， 这是因为当组织较软时，金属表面的凸点接触面增大所至。综上所述，不同回火 组织的摩擦系数相差不大，即是说回火组织对摩擦系数没有太大影响。 行程f m ) 圈3 4 回火组织对摩擦系数的影响0 0 0 n 6 4 0r r a i n ) f i g 3 4 e f f e c t s o f a m l ，i e o t t e m p e r a t u r e 咖c n e f f i c i e n t o f f r ；c l i o n i n t h ec a s e o f l 0 0 n ，6 4 0 r m i n 江苏大学硕士学位论文 3 3 3 磨损表面分析 图3 5 为4 5 钢在2 0 0o c 、1 5 0n 条件下磨损后的磨面物相分析结果。由图 可以看出不同显微组织的4 5 钢在高温高载磨损时，其磨面均发生了明显的氧 化，并且磨面主要的氧化物为f e 3 0 4 和f e 2 0 3 。回火马氏体在磨损过程中磨面 主要是以f e 3 0 4 为主并含有少量f e 2 0 3 ，随着回火温度的升高，回火屈氏体和 回火索氏体的磨面上f e 2 0 3 和f e 3 0 4 的比列都开始增加。 3 0 0 0 j 音2 0 0 0 j o o 1 0 0 0 0 2 03 04 05 06 07 0 8 0 20 。 图3 - 5 不同回火组织的4 5 钢在2 0 0 、1 5 0 n 条件下磨损后的磨面物相分析 f i g 3 - 5x r dp a t t e r n so fw o r ns u r f a c e so f 4 5s t e e l st e m p e r e da t2 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0a n d6 0 0o c ， r e s p e c t i v e