第三章 磨料磨损.

1、第三章 磨料磨损3.1 概述3.2 基本原理、模型及影响因素3.3 试验研究方法3.4 典型零件的失效分析 目目 录录3.1 概述概述 1.定义 磨料磨损（磨粒磨损Abrasive wear）：一般指磨粒或硬的微凸体与材料表面相互作用过程中，造成材料表面损耗的现象或过程。在欧洲合作与发展组织（OECD）编定的摩擦学术语中对磨料磨损所下的定义为：“由于硬颗粒或硬凸起物使材料产生迁移而造成的一种磨损”。对磨料磨损的分类方法也很多。许多文献中经常引用的是Avery和Rigncy的分类方法（表5.1）此外，人们也经常采用按不同的系统特性来进行分类的方法（表5.2）。系统特性系统特性磨料磨损类型磨料磨损

2、类型系统特性系统特性磨料磨损类型磨料磨损类型使用条件低压力、高压力、冲击、冲蚀、气蚀、腐蚀。表面损坏形貌擦伤型、刮伤型、研磨型、微观切削型等接触条件两体、三体。磨料磨损机理塑性变形、断裂磨料条件滑动、滚动；开式、闭式；固定、半固定和松散颗粒。特殊环境普通型、腐蚀、高温型。磨料和材料的相对硬度软磨料0.8硬磨料0.8表表5.2 根据不同系统特性磨料磨损的分类根据不同系统特性磨料磨损的分类3.2 基本原理、模型及影响因素基本原理、模型及影响因素1.基本原理 当硬的粗糙表面对一个较软的表面滑动叭可刺入软表面而犁出一系列沟棍引起密科磨损。原来在沟槽中的材队通常以松散的碎片形式被犁去。 当硬的磨粒被引入

3、两个滑动表面之间而擦去两边的材料叭磨料磨损也能以稍微不同的情形引起。这种密料磨损的机理似乎是一个磨粒临时核着一个滑动表面或嵌在一个表面，而在另一个面上犁出沟槽。磨损的达两种形式，即一种是包含有硬而粗糙的表面，另一种是包含有硬的磨科颗粒通常分别叫做两体磨料启损和三体密科磨损。2.磨料磨损的模型在许多摩擦学专著中都引用E.Rabinowicz在1966年所提出的磨料磨损简化模型和数学表达式（图5.1）。这种简单模型的基本假设是：将经受磨损的材料简化成一种不产生任何塑形变形的绝对刚体；将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体；将磨损过程视为简单的滑动过程；利用这个简单模型，可以很容易计算出在一个圆锥体的磨料颗

4、粒作用下，滑动一定距离所磨损掉的材料体积（阴影部分）。即：lxrlxrV221由于磨料压入材料内深度决定于压力的大小和材料硬度的比值，所以tgrxPHr 2tgHPlV令tgK所以KPHlV 以上表达式表明，在一定的磨料条件下，单位滑动距离内磨损的体积与施加的载荷成正比，与材料的硬度成反比。这个简单的模型只是一种过分理想化了的磨料磨损类型，在实际磨料磨损过程中，磨损机理往往要比这种简单模型复杂得多。a. 磨料磨损过程中材料亚表层的应力分布和能量转换在磨料磨损过程中，磨料颗粒在压力作用下会使经受磨损的材料产生弹性和塑形变形，从而在材料亚表层不同深度处会形成压应力和拉应力。拉力和压力会使材料的位错

5、密度和硬度发生变化。由于磨料与材料接触过程中的接触角不同，材料迁移的机理以及应力分布也随之而变。b. 磨料磨损过程中材料去除的两种机制1、由塑形变形机制引起的去除过程当磨料与塑形材料表面接触时，主要会发生两种主要的材料去除过程（图5.7）犁沟材料受磨料的挤压向两侧产生隆起。这种过程并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次切削（图5.7a）微观切削材料在磨料作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可直接造成材料的去除，形成一次切削（图5.7b）。材料因塑性变形造成材料去除的磨损体积表达式为：LHPKKKV-132112、由断裂机制引起的去除过程 这种去除过程在脆性材料中显得特

6、别重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它们对于断裂破坏十分敏感。由于断裂机制材料去除的体积的表达式为：LHKdPKV2/14/32/14/552 当施加载荷较大、磨料尖锐以及材料的断裂韧性与硬度的比值越低时，材料越趋向于压痕断裂，材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度，如果压痕深度大于产生断裂的临界深度值因而减小了因断裂机制去除的磨损体积。3.两种机制的关系： 两种机制的转换在磨料磨损过程中，无论是塑性材料或脆性材料，都可能同时发生塑性变形及断裂两种机制。只是由于磨损环境条件及材料特性不同，某一种磨损机制会占主导地位。而且，常常随条件的变化发生一种磨损机制向另一种机制的转换。3.磨料磨损的影响因素

7、实际的磨料磨损过程是一个复杂的多因素综合作用的摩擦学系统。利用系统分析方法可以较为清楚地考察各个组员及其相互作用以及环境条件的影响。影响因素：可分为两类：内部因素-材料的成分、组织结构和由组织所决定的性能；外部因素-磨料特性、磨料与材料相互作用时的接触应力、相对运动速度、环境介质、温度等。 材料的磨料磨损特性还具有动态属性，即材料在磨损过程中发生的加工硬化、热影响下的相变、再结晶、退火或回火软化等,使得材料在磨损过程中的性质已经不同于材料磨损前的原始性质，零件表面连续不断的与磨料相互作用，使得零件表面层处于一动态平衡状态。材料耐磨性既与材料的原始性质有关，又与磨损过程中材料表面微区在外部因素影

8、响下瞬时的性能变化有更密切关系。1.磨料特性的影响磨料硬度的影响对材料的磨损率有明显的影响。这种影响的程度主要是以材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值为标志的。由此可见、当磨料硬度Ha远高于被磨材料的硬度Hm时，磨损与磨料硬度无关；当被磨材料的硬度接近于磨料硬度时，磨损减慢。而当磨料硬度低于被磨材料时，随两者差别的增大，磨损急剧减小。实际情形下，即使是磨料很软，由于冲击的作用或者软磨料中掺有硬磨料等因素，也会导致工件的磨损。磨料尺寸的影响磨料尺寸（粒度）对磨料磨损也有一定的影响（图5.20），当磨料在某一临界尺寸一下时，体积磨损随磨料尺寸的增大而急剧地按比例增加；当超过这一临界尺寸时，磨损增大的幅

9、度显著降低。不同材料的直线斜率不同，临界尺寸也略有区别。磨 料 临 界 尺 寸 大 致 在80m左右，与材料成分、性能、加工工艺、速度和载荷等有关。当磨粒尺寸小于某一尺寸时，甚至会发生磨损机制的变化，由磨料磨损转变为粘着磨损。磨料形状的影响磨料形状的影响磨料形状（尖锐度）对磨料磨损过程也有明显的影响。磨料形状（尖锐度）对磨料磨损过程也有明显的影响。由于各种磨料的形状难以测量和定量区别，一般仅定性地由于各种磨料的形状难以测量和定量区别，一般仅定性地将磨料形状区分为三种典型类型：尖锐型、多角形和圆型。将磨料形状区分为三种典型类型：尖锐型、多角形和圆型。2.2.材料机械性能和微观组织的影响材料机械性

10、能和微观组织的影响图5.23表示了某些纯金属的弹性模量与相对耐磨性之间的关系。由图可见，工业纯金属的耐磨性与其弹性模量成正比，但是，这种关系不适用于热处理过的钢，因为热处理不会改变材料的弹性模量却使耐磨性大大提高。材料的整体硬度与耐磨性之间不是简单的对应关系；磨损前对金属进行冷作加工硬化对提高金属材料本身的耐磨性无效，其原因在于磨损过程中金属材料表面已发生了最大限度的加工硬化，耐磨性取决于最大硬化状态下的硬度，因而材料的耐磨性与其磨损后的表面硬度成正比1.材料机械性能的影响图5.25表示了某些材料的相对耐磨性与磨损后的表面硬度之间的关系。材料的耐磨性与其磨损后的表面硬度成正比，近期的研究指出：

11、磨损表面的极限强度时材料破断前所能贮藏的最大位错密度的量度。因此，材料磨损后的表面硬度比其宏观硬度与耐磨性有更直接的关系。材料的耐磨性与拉伸强度和塑性之间没有明显的对应关系。在材料硬度较高时，材料的强度特别是塑性和韧性的提高将有利于材料耐磨性的提高。由图可知，材料硬度和断裂韧性的良好配合可获得高的耐磨性，增加载荷或磨粒尖锐等会加大材料的磨损。2.微观组织的影响材料的微观组织与机械性能有密切关系，因而它对材料的耐磨性也有重要影响。图5.31表示了与合金微观组织和耐磨性有关的一些基本因素。微观组织对材料耐磨性影响的基本规律一般可分为两类：微观组织的尺寸小于磨料颗粒压入深度。在这种情形下，微观组织主

12、要对其宏观性能有明显影响。微观组织的尺寸等于或大于磨料颗粒压入深度。在这种情形下，微观组织中的单独相及组元的重要性显得格外突出了。图5.32表示了铁金属材料的微观组织在不同条件下磨损系数和宏观硬度的关系。由此可见，这些因素的相互影响是相当复杂的且与磨损的工况条件有关。图5.33表示钢的不同组织类型在不同硬度水平时的相对耐磨性。各种组织的耐磨性随硬度增加而增加，在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体优于珠光体和马氏体。3.工况和环境条件的影响在磨料磨损系统中，除了磨料及材料特性两个组元的特性及其相互影响外，工况和环境条件对磨损过程也有很大的影响。这些因素主要是指速度、载荷、磨损距离、磨料冲击角以及环境

13、湿度、温度和腐蚀介质条件等。研究表明：某些软材料。滑动速度在02.5m/s范围内，体积磨损只随滑动速度的增大而略有增加（图5.35）。在干、湿磨损条件下的磨损数据表明：一般情况下，湿磨损由于能起到润滑和冷却作用，磨损率稍有下降。然而，在带有腐蚀介质及高温条件下的磨料磨损过程会有很大的变化。3.3 3.3 试验研究方法试验研究方法1.磨料磨损试验的基本目的：系统研究磨料磨损机理及其基本规律。预测和检查磨料磨损过程的结果。优先试验材料及表面处理工艺方案。2.磨损试验的分类磨损试验可分为实验室磨损试验和实际工况条件下的磨损试验。后者的真实性和可靠性好，但试验周期长，影响因素不易控制，花费人力物力。三

14、十年代以前常用这种方法，而近几十年来，已经常采用实验室试验来研究磨料磨损。衡量实验室磨损试验的基本标准是：重现性好、实验误差小；鉴别率高和模拟性好。3.磨料磨损试验机序序号号研究者研究者 示意图及实验条件示意图及实验条件磨料磨料材料材料说明说明1 1Brinell石英砂石英砂碳素钢碳素钢初期代表装置，初期代表装置，磨损距离磨损距离60mm。butkewitz石英砂（石英砂（0.51.5mm）铸铁，特铸铁，特殊钢殊钢12.4min内供砂量内供砂量为为2.5kg2木户等木户等石灰石，白石灰石，白云石，铁矿云石，铁矿石，长石，石，长石，石英砂石英砂试验时间试验时间5min，磨损距离磨损距离8100m

15、。3Haworth长石，石英长石，石英砂砂铁合金（铁合金（Cr231%），表面），表面处理钢处理钢逆时针旋转，容逆时针旋转，容器中盛有磨料及器中盛有磨料及砂浆、磨料在轮砂浆、磨料在轮子和式样之间接子和式样之间接触触4.磨损量的测量和比较方法3.4 典型零件的失效特征与分析1.犁铧的基本工况和特性犁铧是铧式犁的主要易损工作零件。用于耕作土壤翻耕农田，它主要受到土壤磨粒的冲击、摩擦作用而产生磨损，使尖部磨钝而失效。由于土壤磨粒所受应力小于土壤磨粒的压碎强度，故犁铧的磨损属于低应力磨料磨损。2.犁铧的磨损（低应力擦伤型磨料磨损）失效分析（1）宏观失效分析对从现场收集的失效犁铧磨损表面进行观察发现：犁

16、铧的失效特征主要是磨损（刃部磨钝，厚度变薄）；其次是断裂和变形。前者是正常的失效形式，其磨损表面光滑并有明显擦伤痕迹，后者可能是由于选材、热处理或使用不当造成的（如图5.36）。（2）微观形貌分析利用光学显微镜和扫描电镜对犁铧磨损表面进行进行观察，结果如以下三图：图a：犁铧磨损表面形貌特征是无确定方向的深浅不同的交叉犁沟，这些犁沟是由于不同尺寸的磨料反复作用的结果，导致材料逐步剥落破坏。图b：犁沟与普通材料（65Mn淬火200C回火）有明显不同，犁沟数量减少，呈不连续性，并可明显看到横向粗大的碳化物（Cr7C3）对磨痕产生阻碍作用。图c：在堆焊犁铧表面可以看到不少碳化物剥落抗和脱落前的解理裂纹和断裂特征，这