冲蚀磨损课件

冲蚀磨损

概述冲蚀磨损：是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损可分为：分气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲蚀及气蚀（根据颗粒及其携带介质的不同）。冲蚀磨损现象在生产、生活中普遍存在。造成损失和危害严重，但也有应用其原理对机器零件表面进行清理和强化，如喷砂和喷丸等。国内外研究工作开展较多，本课程主要介绍气体介质携带固体磨粒对材料表面的冲蚀磨损。§1冲蚀磨损理论影响较大的理论有：延性材料的切削磨损理论脆性材料的断裂磨损理论变形磨损理论绝热剪切与变形局部化磨损理论薄片剥落磨损理论一、延性材料的切削理论芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型FPα切削几何模型切削过程中作用在磨粒上的接触应力模型模型假设一颗多角形磨粒，质量为m，以一定速度v，冲角α冲击到靶材的表面。理论分析的靶材的磨损体积：m----冲蚀磨粒的质量；v----磨粒的冲蚀速度V----靶材的磨损体积；P-----靶材的流动应力α-----磨粒的冲击角；K-----常数磨粒如一把微型刀具，当它划过靶材表面时，变把材料切除而产生磨损。公式表明：材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方（即磨粒的动能）成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角α成函数关系。实验研究表明：对于延性材料，多角形磨粒，小冲角的冲蚀磨损，切削模型非常适用；对于不很典型的延性材料（如一般的工程材料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨粒），冲角比较大（特别是冲角=90°）的冲蚀磨损偏差较大。二、脆性材料的切削理论脆性材料在磨料冲击下几乎不产生变形。芬尼等人根据赫兹应力分析，认为是在缺陷的地方产生裂纹裂纹不断扩展而形成碎片剥落。当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增加而增加。当冲角等于90°时，磨损量最大。模型谢尔登（Sheldon）和芬尼，1966，冲角为90°，脆性材料，冲蚀磨损，脆性材料的断裂模型脆性材料（单位重量磨粒）冲蚀磨损量的表达式对球形磨粒：对多角形磨粒：对任一形状磨粒：E为靶材的弹性模量δb为材料的弯曲强度r为磨粒的尺寸v0为磨粒的速度m为材料缺陷分布常数实验表明，几种脆性材料的a和b实验值与理论值基本一致（如玻璃、MgO、石墨等）其中埃文斯（Evans）研究：脆性材料的冲蚀磨损体积V决定于靶材和磨粒的性质，表达式与实验吻合很好。冲蚀速度磨粒尺寸磨粒的密度靶材的断裂韧性靶材的硬度三、变形磨损理论比特（Bitter），1963，提出：冲蚀磨损分为变形磨损与切削磨损；90°冲角下的冲蚀磨损是和粒子冲击时靶材的变形有关。反复冲击产生加工硬化，提高材料的弹性极限，直到应力超过材料的硬度，形成裂纹。从能量角度出发，推导出变形磨损量WD和切削磨损量WC；WD=M（Vsinα-K）2/2εWc=×(Vsinα-2MC(Vsinα-K)2×(Vsinα）1/2C(Vsinα-K)2(Vsinα)1/2Q)M2Q[V2cos2α-K1(Vsinα-K)3/2α＜α0Α＞α0W=WD+WCM为冲击磨粒的质量V为磨粒的速度；α为冲击角；ε为变形磨损系数；Q为切削磨损系数；α0为两式相等时的角度；C、K、K1都为常数该理论设想正确，并得到证实。谢尔登和凯希尔，1972，第一台单颗粒冲蚀磨损实验机，2.5mm，SiC磨料、钢球、玻璃球，直接观察到磨痕形貌，冲击坑边缘的“挤出唇”，并很容易被后冲击的磨粒打掉。四、绝热剪切与变形局部化磨损理论哈青斯，1979，9.5mm，钢球，270m/s，冲击低碳钢发现变形唇。在一个狭窄的带状区域变形非常严重。高速摄影机研究粒子冲击过程，估算冲蚀时材料的应变率高达105~107s-1。高应变率导致很高温升。首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带。哈青斯首先把绝热剪切与变形局部化概念引入冲蚀磨损过程中。证明：钛（哈青斯）、铝（克里帝曼）、铜（奎迪耳）、材料熔化现象（尤斯特和布朗）、20钢（中国矿大）、火花现象、熔化的球状磨屑现象（272页照片）现在已经得到普遍承认，一些研究者并提出了相应的数学模型。五、薄片剥落磨损理论莱维及其同事使用分步冲蚀实验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。发现不论大冲角（如90°）还是小冲角的冲蚀磨损，由于磨粒的不断冲击，使靶材表面材料不断受到前推后挤，于是产生小的、薄的、高度变形的薄片。形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切变形而被加热到（或接近于）金属的退火温度，形成一个软的表面层。在这个软的表面层下面，有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层薄片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面形成的薄片将从材料表面上剥落下来。理论得到许多研究者的赞同和证实。是当前延性材料冲蚀磨损中一种比较有前途的磨损理论。一、磨粒的影响⒈磨粒硬度的影响一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数§2影响冲蚀磨损的主要因素⒉磨粒形状的影响尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产生更大的冲蚀磨损；圆球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主，多角形的磨粒冲蚀则以切削为主；磨料形状对产生最大磨损的冲角有影响；延性材料产生最大磨损的冲角约为16~30°；但是脆性材料的与磨粒形状关系不大。⒊磨粒尺寸的影响磨粒尺寸很小时，对冲蚀磨损影响不大；随着磨粒尺寸的增加，靶材的冲蚀磨损也增大，当尺寸增大到一定值时，磨损几乎不在增加，这种现象称为“尺寸效应”。磨粒存在的临界尺寸。对于脆性材料，随冲角的增加，冲蚀磨损也增大，当冲角为90°时，达到最大值。但当磨粒尺寸减小到一定程度时，其磨损曲线发生变化，具有延性材料的特征。对于延性材料无上述特征。⒋磨粒破碎的影响磨粒在冲击靶材表面时，会产生大量碎片。这些碎片能除去磨粒在以前冲击时在靶材表面形成的挤出唇或翻皮，增加靶材的磨损。由于碎片造成的磨损称为二次磨损。磨粒未形成碎片时造成的磨损称一次磨损。冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的总和。⒌磨粒嵌镶的影响在冲蚀磨损初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，因此靶材的磨损量很小，甚至不是产生失重而是增重，即产生负磨损，该阶段称为“孕育期”。一段时间（或冲蚀了一定量的磨粒）之后，当靶材的磨损量大大超过嵌镶量时，才变为正磨损。随冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量也稳定增加，该阶段称为稳定（态）冲蚀期。延性材料，尤其是冲角为90°时，磨粒更容易嵌镶于靶材的基体，使靶材表面的性能变坏。脆性材料，尤其是球形磨粒时，难以嵌镶，影响小。二、冲蚀速度的影响因为冲蚀磨损量和磨粒的动能有直接关系，冲蚀速度的影响很大。∈=KvnK是常数，v是冲蚀速度，n是速度指数，一般情况n=2~3，延性材料波动小，n=2.3~2.4，脆性材料波动大，n=2.2~6.5；存在速度门槛值，低于该值不产生冲蚀磨损，只发生弹性变形，该值与磨粒大小相关。三、冲角的影响冲角是指磨粒与靶材表面间的倾角；延性材料的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，当冲角为20~30°时，磨损量最大，之后随冲角增加而减小。脆性材料则随冲角增加，磨损量不断增加，当冲角为90°时，磨损最大。冲角对靶材的冲蚀磨损机制影响很大。低角度冲蚀，磨损机制以微切削和犁沟为主。高角度冲蚀，延性材料起初为凿坑和塑性挤出，多次冲击反复变形和疲劳，引起断裂与剥落。脆性材料在大尺寸磨粒和大冲击能量的垂直冲击下，以产生环行裂纹和脆性剥落为主，往往一次冲击就能使材料流失；但小尺寸磨粒、冲击能量较小时，则具有四、温度的影响一些情况，随着环境温度的升高，冲蚀磨损加剧；某些材料高温下，塑性提高，耐磨性也随之提高，或者在高温下，材料表面可能形成氧化膜，都会使冲蚀磨损量随温度升高而减小。五、靶材的影响⒈宏观硬度的影响⒉加工硬化的影响⒊材料组织的影响几种主要的固体粒子冲蚀磨损实验装置一、真空落下式实验装置二、离心式粒子加速实验装置三、真空旋臂式冲蚀磨损实验装置四、喷射式冲蚀磨损实验装置§3冲蚀磨损的实验装置液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象称为浆体（液体—固体）冲蚀磨损。例如：泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨损。研究迄今尚不深入；一般认为冲速不高的浆体冲蚀磨损主要是由其中的固体磨粒造成的。但浆体中液相存在必然有一定影响。§4浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损的差异⒈冲