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昆明理工大学硕士学位论文冲击翳料麝损机理研究 摘要 对冲击磨料磨损机理研究的传统方法是从实验或实物检测入手，推导出经验 式或看法，所以得到的结论基本属于定性研究和“磨损后”的情况。而本文则 方面使用实验手段来模拟特定条件下的冲击磨料磨损工况，主要对比由于磨料 粒度、密度的变化对材料磨损量的影响，另一方面运用有限元分析软件a n s y s 立与实验条件基本一致的分析模型，仿真冲击磨料磨损实验的全过程，通过有 元计算获得不同大小和密度的磨料与磨损面相互冲击时的力学参量，结合磨料 磨损表面材质的物理性能，直接分析磨损表面的失效行为，并从力学的角度对 ；损失重机理进行分析研究，从而实现了冲击全部过程的数字仿真。这对合理选 f 、正确的组织设计、提高材料耐磨性有重要的实际意义，在理论上对发展磨损 e 论、搞清冲击磨料磨损机理也是有价值的，同时也为从理论上研究冲击磨料磨 a 的失效机制提供了部分依据，为冲击磨料磨损机理研究从较粗糙的定性研究转 为较精确的定量研究探索出了一条新路。具体工作有以下几方面： ( 1 ) 建立一套冲击磨料磨损实验系统，主要观察磨料粒度、密度的变化对磨损 失重的影响，并提出看法； ( 2 ) 使用有限元分析软件a n s y s 建立与实验工况基本符合的一套分析模型，主 要模拟不同的磨料粒度、密度、接触面的高低度对冲击过程中各项力学参 数变化的影响，在此基础上来对冲击磨料磨损机理进行探讨。 关键词：冲击磨料磨损实验a n s y s 有限元法磨料粒度磨料密度 磨损机理 昆明珥。工人学硕士学位论文冲击磨料麟损机理研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h et r a d i ti o n a lm e t h o di n i m p a c ta b r a s i v ew e a l i n g o f t e nc o m m e n c e sf r o me x p e r i m e n t so rr e a lo b j e c te x a m i n a t i o n s ，t h e n d e d u c e sa ne m p i r i c a lf o r m u l ao rv i e w p o i n t s ，s og e t st h ec o n c l u s i o nw h i c h i sb a s i ct ob e l o n gt oq u a l i t a t i v ea n da f t e rw e a r i n gi n v e s t i g a t i o n ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rp r e s e n t sas y s t e m a t i cw e a r i n gt e s tt oi m i t a r e w o r kc i r c u m s t a n c e so fi m p a c ta b r a s i v ef r i c a t i o nw e a r w h i e hi n c l u d e st h e d i f f e r e n tg r a i n s i z e sa n dq u a n t i t y ，o nt h eo t h e rh a n d ，r i s e sa n a l y s i s s o f t w a r ea n s y st oe s t a b li s hm o d e l si na c c o r d a n c ew i t hw e a r i n gt e s t ，a n d i m i t a t e st h ew h o l ep r o c e s so fi m p a c t o nt h eb a s i so ft h ec a l c u l a t i o no f a n s y s ，t h ea u t h o rg e t sm e c h a n i c a ld a t ao fd i f f e r e n ta b r a s i v eg r a i n sa n d a m o u n t si m p a c tw e a r i n gs u r f a c e ，a n dj o i nt o g e t h e rt h ep h y s i c s c h a r a c t e r i s t i co fw e a r i n gt e r r a i n ，t h e nm a k ead i r e c ta n a l y s i so f d e t e r i o r a t i o na n dw e a r i n gc h a r a c t e r t h i si sn o to n l yv e r yi m p o r t a n tf o r i m p r o v e sm a t e r i a lw e a r1i f ea n dd e v e l o p st r i b o l o g yt h e o r y ，b u ta l s o t r a n s f o r mw e a r i n gi n v e s t i g a t i o nf r o mq u a l i t a t i v et oq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s t h em a i nw o r kh a sb e l o ws e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) e s t a b l i s h i n gas e to fi m p a c ta b r a s i v ew e a r i n gt e s ts y s t e m w h i c hi s u s e dt oo b s e r v et h es p e c i f i cw e a r a b i l i t yd u et ot h ev a r i e t i e ss i z e so f g r a i na n da m o u n t s ，a n dp u tf o r w a r ds o m ev i e w p o i n t s ( 2 ) t h ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si nu s a g ee s t a b l i s h e sas e to fa n a l y s i s m o d e lt or e s e a r c hv a r i o u sm e c h a n i c sp a r a m e t e r sc h a n g i n gt h a tg e ti nt o u c h w i t hs i z e sa n da m o u n t s t h e no nt h i sf o u n d a t i o nt os t u d yi m p a c ta b r a s i v e w e a r i n g k e yw o r d s ：i m p a c ta b r a s i v ew e a r i n gw e a r i n gt e s ta n s y sf i n i t e e l e m e n tm e t h o ds i z e q u a n t i t y m e c h a n i s m 昆明理工大学学位论文原创性声明 y 6 6 9 2 3 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人和集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：王f 致 日期：z 鲫牛年元月多日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印或其他的复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：多连向违 、， 论文作者签名： 互，致 日期： z 舰埠年元月多日 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨料磨损机理研究 第一章绪论 1 1 磨损研究的意义及发展概述“1 由于磨损在生产生活中存在的广泛性，给国民经济带来的损失极其巨大。 据估计，仅磨料磨损每年就使工业国家损失国民生产总值的1 4 。按艾尔 ( t s e y r e ) 的估计，磨损给工业国带来的损失可达国民生产总值的2 8 。美 国曾估计，磨损造成的损失是摩擦造成的能量损失的1 2 倍，这样美国每年因磨 损造成的损失可达1 9 2 0 亿美元。 由于磨损造成的经济损失极为巨大，运用已有的摩擦学、材料磨损方面的 知识，采取必要的技术和管理措施，所能收到的经济效益也极为显著。根据约 斯特等人的调查报告：只要更好地应用现有的知识，十年内可为英国节约5 1 5 亿英镑，其中磨损占9 2 6 ，而美国每年可节约5 0 4 6 6 7 亿美元，日本每年 可节约1 1 3 8 亿美元。 在磨损的研究方面，人类经历了初期经验的研究阶段；霍尔姆提出真实接 触面积的中期研究阶段，并初步建立了磨损的分子( 粘着) 与机械( 力学) 作 用理论；然后进入到借助于现代测试技术和表面分析工具的现代研究阶段，使 磨损的研究逐步趋于成熟。 但若从整个摩擦学一摩擦、磨损与润滑领域来看，对于磨损的机理研究 还很不充分，这种不充分在于，一方面材料的磨损过程极其复杂，包含有科学 技术的许多领域的问题，涉及到机械工程学、物理学、力学、化学、金属学等 学科；另一方面迄今对材料磨损的研究还都是“磨损后”研究，即对在特定的 工况条件下磨损后的零件或试样表面、表层及磨损产物磨屑进行分析研究。因 为材料的磨损是一渐进过程，在磨损过程中的每一瞬时，材料的表面及表层都 在发生变化，这种变化都影响磨损过程的进行，这也是磨损过程极其复杂的另 一面。 1 2 冲击磨料磨损研究的意义 我们知道，磨损是零件失效的三种芏要原因之一，而在所有磨损中，又属 磨料磨损所造成的经济损失最大。 冲击磨料磨损是一种特殊的磨料磨损方式，它既不是纯冲击，也不是一般 的滑动磨料磨损，而是两个过程的复合。其过程是：在冲击瞬间，两对磨面相 互碰撞，在摩擦界面间有硬质磨粒存在，同时两界面有相对滑动；当冲击结束 时，两对磨面脱离接触，不摩擦不磨损。这两个过程周而复始地交替进行。冲 击磨料磨损是一种极恶劣的磨损工况，在该工况下工作的零件都表现出极短的 寿命”3 。 冲击磨料磨损作为普遍存在于冶金、建材、矿山机械等行业中的一种磨损 形式。由于在上述行业中，许多工件都在冲击条件下承受磨料磨损，如球磨杌 中的磨球、村板、破碎机锤头、齿板等在冲击和磨料的综合作用下引起工件的 3 昆明理 大学硕士学位论文冲击磨科蔚损机理研究 磨损和失效”“，因此每年造成的经济损失十分巨大：在广西合山电厂，当采用 普通锻钢球作磨煤介质时，每磨制1 吨煤粉耗球量为7 5 0 克左右，补加球量大， 磨煤机粉碎系统磨损严重，造成原材料的巨大浪费，并给磨煤机的稳定运行带 来一定的影响。1 。而在作为我国及亚洲最大铜矿的江西德兴铜矿，每年因采掘、 磨矿、选矿等各工序消耗各种耐磨件费用达人民币2 亿多元。其中，球磨机衬板 作为主要的消耗件，每年耗量在5 0 0 0 吨以上。球磨机的高锰钢衬板由于长期在 恶劣的冲击磨料磨损工况下工作，使用寿命较短，寿命仪为4 0 0 0 h 左右，停机枪 修频繁，己严重影响了铜矿的生产m 1 。而某厂使用的锤式破碎机，工人每隔4 h 就要更换锤头，大大降低了劳动生产率，该厂每年耗费锤头l 万只，价值1 5 万元 以上。再如建材行业中研磨水泥熟料的球磨机，如果衬板磨损失效，工人须进 入百度高温的罐中进行检修，磨球则要每隔一段时间全部倾倒出来，对几十吨 钢球根据尺寸分类，工作环境相当恶劣4 。 由此看来，在如今环境保护、资源可持续发展日益受到全世界重视之际， 对冲击磨料磨损研究的深入和新理论的应用，对于节能降耗，提高碎矿、磨矿 效率、提高工作和环境质量、降低生产成本、推动产业升级等方面将具有重要 的现实意义。 1 3 冲击磨料磨损机理研究概况m 7 1 g o o d w i a 等通过实验观察认为，当固体颗粒以较大冲击角冲击材料表面时， 一方面使材料表面发生塑性变形，另一方面，颗粒可能因冲撞而破碎。尖锐的 碎块将使材料的薄弱部分剥离，他称之为“次生损伤”，而“次生损伤”是材料 体积损失的重要原因。 s h e l d o n 和f i n n i e 通过实验和分析指出，当冲击颗粒的大小和速度在一定 范围内时，典型的高硬脆性材料也可以产生塑性变形，而呈现柔韧材料的磨损 特点。 e n g e l 指出，在冲击磨料磨损中，材料表面疲劳的作用是次要的，而kp a res ck “n 提出了基于疲劳破坏的磨损理论，并认为，材料存在塑性流动 时，也会因金属疲劳破坏而剥落金属。s t a u f f e r 认为磨料磨损的原因之一也可 能是交变负荷超过材料疲劳极限，而使材料脱落或局部破坏。 j ibf i ob 提出，磨料对金属的挤压过程，在金属表面上将产生先兆性破 坏，从而易于被以后的磨料所切割，这实际上是变形磨损的过程。 t i l l y 在实验中发现，对某些软金属和塑料( 如铝和尼龙) ，在近于垂直冲 击下，冲击磨料的碎屑可能嵌入材料表面，而使材料重量有所增加。 川井正治通过实验的磨痕的观察指出，在高速冲击下，金属被冲击表面可 以产生局部熔化现象，如果磨料有自转，则这部分软化的金属将很容易被切削 掉。 而大量试验研究指出。“，冲击磨料磨损机制一般可概括为两大类：一类是 因磨料引起的切削和凿削磨损，另一类是因冲击变形导致的疲劳磨损，其中疲 劳磨损是重要的机制。它不仅作为独立的机制引起材料的剥落、磨损，并且与 切削、凿削机制起交互作用，促进切削、凿削机制的发生而加速磨料磨损。 此外，人们通过分析冲击磨料磨损的进行过程，发现其与一般的滑动磨料 4 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨科磨损机理研究 磨损相比，具有如下特点： 冲击载荷为能量载荷，不同于一股的静载荷和交变载荷，加载和卸载过 程是瞬间完成的。能量在载荷作用下力、应力和应变往往以弹性波的形式传 播，当遇到界面时一部分成为穿透波，穿出零件界面，另一部分成为反射波， 住物体内来回反射、干涉、叠加，形成复杂的应力状态。 磨料在摩擦副之间，承受很大的法向载荷，因此，硬质磨料对摩擦副的 作用具有凿削( 冲击力大) 和碾碎( 应力超过磨粒压渍强度) 式磨科磨损的双重特 点，工况更为恶劣。 冲击磨料磨损为高应力磨损，伴随着金属表面的严重应变硬化和磨料破 碎，并且材料很容易发生塑性变形。 材料在多次冲击下要发生一些独特的组织和性能变化。 在冲击瞬间，伴随有快速能量转换，从能量角度看，冲击动能d 可能转 变为如下几部分：a ) 塑性变形能e ；b ) 弹性波动能玩；c ) 磨粒破碎所能消耗的 能毛：d ) 热能e ，；e ) 其它能，如声能等。即：岛：e + e + b + e + 乞。 在相同的试验条件下，e 、相对稳定，不随磨擦副材料而变化。冲击动能e 一 将主要在e 、e 、e ，中分配。对于塑性好、硬度低的材料，e 很大，e 。则相 对较小，这时主要表现为材料表面的塑性破坏；对于硬度高，脆性大的材料，。 较小，晟则相对较大，这时弹性波动能将主要促使材料内部裂纹的萌生和发展， 宏观上表现为疲劳剥落和脆性脱落。 由冲击磨料磨损的上述特点可以看出其将会对材料的损伤机理产生重要的 影响。从而推出如下主要结论： 冲击磨料磨损与一般的滑动磨料磨损大不相同，不但工况恶劣，而且具 有弹性波动效应，使零件的应力状态近似于对称循环，应力循环频率远大于冲 击频率，加速了零件的疲劳磨损。 在冲击磨料磨损工况下，材料及表面处理方式不同，磨损机理不同。材 料的磨损率不仅仅取决于表层硬度。而且取决于芯部硬度。表层硬，芯部软可 降低磨损率，但又会带来零件塑性变形问题。因而最理想的情况是芯部弹性好， 弹性变形吸收冲击动能，冲击消失后又能恢复零件的形状和尺寸。 ( 耍) h e r t z 及其修正模型，是一种简化的冲击接触模型较为成熟且有大量的实 验依据和计算结果。 在常见的低速冲击情况下，破坏都与内部各点的瞬态三维应力密切相关。 为了解和掌握冲击磨粒磨损的过程和机理，精确计算冲击响应和瞬态应力分布 是非常必要的。 昆明理工大学硕士学位论文冲击麝料磨损机理研究 1 4 选题及意义 近年来，人们虽然已在磨损的各个方面进行了大量的理论研究，但在磨料 磨损机理方面的研究工作尚少”。一般来说，冲击的过程都非常短暂，使得对 冲击磨料磨损的研究基本上处在“磨损后”，而无法了解其冲击过程中材料发 生的变化，这就阻碍冲击磨料磨损机理研究的深入探讨，使得对冲击磨料磨损 机理的研究一直停留在定性研究和经验公式阶段 此外，目前所采取的研究方法大多是集中于检查磨损表面的形貌及其亚表 层的破坏行为，然后分析、推理提出看法，并且主要是从材料的角度出发，即 研究不同的化学成分、冶金工艺及热处理对材料耐磨性的影响，而对最直接的 导致磨损失重的力学原因则研究则不够。 针对这种情况，本课题一方面使用实验手段来模拟特定条件下的冲击磨料 磨损工况，主要对比由于磨料的粒度、密度的变化对材料磨损量的影响，另一 方面运用有限元分析软件a n s y s 建立与实验条件基本一致的分析模型，仿真冲击 磨料磨损实验的全过程，通过确定不同大小和密度的磨料与磨损砸相互冲击时 的力学参量，结合磨料与磨损表面材质的物理性能，直接计算分析磨损表面的 失效行为，从而获取冲击过程的各项力学参数，并从力学的角度对磨损失重机 理进行研究。 本文拟通过分析模型得到的结果，结合实验中获取的数据，来研究不同大 小、密度的磨料造成冲击磨料磨损失重的机理，并实现冲击过程的数字仿真。 这对合理选材、正确的组织设计、提高材料耐磨性有重要的实际意义，在理论 上对发展磨损理论、搞清冲击磨料磨损机理也是有价值的，同时也为从理论上 研究冲击磨料磨损的失效机制提供了部分依据。 1 5 本文主要目的 通过此次研究，本文拟达到如下目的： 运用m l d 一1 0 型磨损实验机研究在相同工况下，试样基体组织和磨料的变化对 材料耐磨性能的影响，获取相关数据，并研究了材料组织结构和工况条件对冲 击磨料磨损的影响。 运用有限元分析软件a n s y s 建立套冲击磨料磨损分析模型，通过计算，获 取整个冲击过程中各项力学参量的变化过程，实现冲击过程的数字仿真。 研究了磨料的粒度、密度、高低度对冲击磨损的影响，并提出相应的结论， 从而达到研究冲击磨料磨损机理的目的。 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨料磨损机理研究 第二章相关理论与方法 2 1 金属的塑性变形及破坏理论“剐阳叫 金属在不受外力作用时，晶格中各原子处于稳定的平衡状态，当受外力后， 这种平衡状态被破坏，引起原子间距离的改变，发生晶格畸变，使晶体产生变 形。当外力去除后，晶格中的原子因内力作用能立即恢复到原来稳定状态的平 衡位置，晶格畸变和晶体变形消失，这种变形称为弹性变形。弹性变形是在正 应力作用下产生的变形，是原子间距变化的结果，其变形量微小；当金属所受 的外力大于屈服极限后，晶格的一部分原予相对另一部分发生错动，而使晶格 内原子重新获得新的平衡，这时，外力去除后，产生的变形不可恢复，称为塑 性交形。塑性变形是在切应力作用下产生的变形，是晶格间原子位置错动造成 的，变形量比弹性变形大得多。 而在实际中使用的金属，基本是由许多大小、方位、外形不同的晶粒所组 成的多晶体。晶界作为晶粒问的交界面，是由许多位错、空位、夹杂等堆积而 形成的。常温下，多晶体的塑性变形主要是以滑移和孪生的方式进行的。在外 力作用下，大量的位错被移出晶粒，堆积在晶界处，造成足够大的应力集中， 促使临近晶粒的滑移面上的位错发生移动，从而使晶粒一批一批地逐次滑移， 产生塑性变形。 文献 3 2 1 则指出，若从较“位错”稍粗一点的层次空穴( v o i d ) 来看， 则空穴在夹杂或第二相质点等边界的形成过程是金属材料塑性损伤破坏的重要 机制之一。一般认为上述过程大致可划分为三阶段，即空穴的形核、扩张、聚 合。由于微空穴的聚合而导致了材料的塑性破断。 2 2 磨料磨损 一、摩擦表面 磨损是发生在表面或表层的现象，因此，我们先要了解表面和表层的状况， 才能更好地理解磨损现象以及如何防止磨损。通常，典型的金属表面大致由以 下组成： l 、变形层：它是由机械加工造成一层加工硬化层，大约有几百微米厚，由重变 形层逐渐向内过渡到轻变形层。其强度高于金属的基体，因而比基体耐磨。 2 、毕氏层：位于变形层外面，是非晶体或微晶粒结构。它是机械加工时，由于 金属表层熔化和流动而在底层材料上骤冷淬硬所成。该层一般有l o 2 微米量级 厚度，硬度很高，不易磨合。 3 、氧化层：位于毕氏层外面，它硬而脆，厚度与毕氏层同量级。通常，硬的表 面将使摩擦阻力下降，但重载下氧化层可能被压碎。表面氧化层和毕氏层随表 面粗糙轮廓丽起伏。 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨料磨损机理研究 两个摩擦表面在法向力作用下相对运动时所产生的磨损过程是十分复杂 的。它涉及到弹塑性力学、金属学、表面物理、化学等多门学科。 磨损过程和分类 对于磨损过程，人们提出了许多磨损曲线，它们大致分为三个线段，分别 表示不同的磨损变化规律，郎： l 、磨合磨损。其磨损率随时间的增加而降低。这种磨损出现在摩擦表面 开始运行阶段。 2 、稳定磨损。其磨损率保持不变，属于正常工作阶段的磨损。 3 、破坏磨损。其磨损率急剧增大，使工作条件迅速恶化以至完全失效 通常将磨损机理划分为四个基本类型：磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨 损、腐蚀磨损。各种形式的磨损具有不同的特征和形成机理。例如：磨料磨损 的产生主要是由于硬磨粒对摩擦表面的犁刨和刮削作用；粘着磨损的发生取决 于摩擦副之间表面分子的相互作用和摩擦热的数值；氧化和腐蚀磨损的主要原 因是环境介质与表面的化学作用；接触疲劳磨损则是在循环应力作用下摩擦表 面产生裂纹和不断扩展而形成的。实际零件的磨损经常是以一两种为主的几种 不同机理磨损形式的综合表现。 在此，我们主要研究冲击作用下的磨料磨损问题。磨料窘损就是外界硬颗 粒或硬表面的粗糙峰在载荷作用下嵌入摩擦表面，滑动中引起表面材料脱落的 现象。它的特征是摩擦表面沿滑动方向形成刻痕。磨料磨损是最普遍的磨损形 式。据统计，磨料磨损造成的损失占整个磨损损失的一半左右。例如：挖掘机 铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是常见的磨料磨损。机床导轨面由于切削 存在也引起磨料磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与泥沙之间的冲蚀现象也属 于磨料磨损。 三、磨料磨损的种类 磨料磨损有三种作用情况： l 、外界硬粒移动于两摩擦表面之间，称为三体磨损。此时，磨料与表面的接触 压应力较高，使韧性金属材料表面产生表面塑性变形或疲劳，脆性金属发生脆 裂或剥落。 2 、磨料沿一个固体表面相对运动，称为二体磨损。当磨料运动方向与表面接近 平行时，属于一般的磨料磨损。此时，由于磨粒与表面接触处的应力较低，固 体表面出现擦伤或微细的刻痕。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，称 为冲击磨损。此时，表面磨出较深的沟痕，并有大颗粒材料从表面脱落。 3 、两摩擦表面中硬表面的粗糙峰相当于磨料作用，由于载荷的大小不同而可能 是高或低应力磨损。 8 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨辩磨损机理研究 四、磨料磨损的主要影响因素 磨料磨损机理主要是磨料的犁沟作用，即微观切削过程。所以，材料对磨料 的相对硬度起着重要的作用。 若硬粒硬度。低于被磨损材料硬度j 【，。，即h 。 ( o 7 一i ) h 。，将不产生磨 粒磨损或轻微磨损。而当磨粒硬度超过材料硬度以后，磨损量随着磨粒硬度增 加而增加。当磨粒硬度更高时，磨损量不再随磨粒硬度变化。 若在滑动位移s 中垂直于的磨损深度为h ，则单位位移的磨损深度d h d s 称 为线磨损度。耐磨性e 可表示为线磨损度的倒数，即e = d s d h 。通常采用相对 耐磨性r 来表示材料的耐磨损能力。 五、磨料磨损机理 磨科磨损机理是研究磨损过程中材料的磨损是怎样发生的，磨损的产物一 一磨屑是怎样形成的问题。 基于对磨料磨损过程和磨损表面的观测，通常认为密料磨损是在外力作用 下磨料以一定的角度与材料表面相接触，此时作用在磨料上的力可分解为垂直 于材料表面的分力和平行于材料表面的分力，垂直分力使磨料压入材料表面， 平行分力则使压入表面的磨料作切向运动，在材科表面产生檫伤或显微切削作 用，结果在材料表面留下磨痕。当被磨材料具有一定的塑性时，压入的磨料可 分为两类，一类是其运动方向和棱角较有利于切削时，将对金属表面产生显微 切削作用，另一类是压入深度较浅的圆滑的磨料，倾向于只在材料表面造成塑 性变形产生擦伤或塑性变形犁作用，即在磨料作用处材料被挤压推移到磨料运 动路径的两侧，中间形成“犁沟”，两侧形成堆积隆起，但这些材料已受到严重 的塑性损伤，很容易在其它磨料作用下被磨掉。当被磨材料塑性较差时，在磨 料作用下材料表面及表层形成裂纹，并进而扩展导致材料的剥落，这可能是磨 损的控制机制。 泰伯( d t a b o r ) 认为，若硬的粒子或硬的粗糙表面切削或磨损与其相摩擦 的材料表面时，发生磨料磨损。磨料磨损类似于显微切削，且磨损率相当高。 若磨料不比被磨表面硬时，也发生磨损，但速度很低。这时过程大概可归因于 疲劳而不是磨损。 由此可见，材料的磨料磨损与磨料的特性( 硬度、粒度、尖角程度) ，磨损 工况条件( 载荷、速度、温度和湿度等环境因素) 和材料成分组织性能有关。 即磨料磨损机制和整个摩擦系统的特性有关。同一材料在不同的摩擦系统中， 其磨料磨损行为和控制机制可能不同。因此研究磨料磨损机理要从整个摩擦系 统考虑。 关于磨料磨损机理，目前还没有完全统一的意见。揭示金属材料磨料磨损 机理，确定它与材料的物理机械性能之间的关系，对于研制耐磨材料，合理选 择抗磨措施有着重要的意义。 昆明理 ：大学硕士学位论文冲击磨料磨损机理研究 2 3 相关冲击计算理论概述 一、传统的冲击分析方法【4 根据经典冲击理论，冲击分析方法基本上可分为二大类：经验公式法和动 力学分析方法。经验公式法是根据大量的试验、统计和分析，得出简要的经验 公式。这种方法简便、实用，对结构简单的设备具有一定可靠性，在方案设计 时可以使用。该方法的缺点是不够严密。动力学分析方法则将系统和设备根据 动力学性能相似的原理转化为质量、弹簧、阻尼系统模型，根据动力学原理建 立运动方程式，进行系统激励和响应计算。这种方法的优点是可以具体计算和 分析弹性系统各组成部分间所承受的最大冲击、最大相对位移等诸动力学参数， 以利于具体改进方案和指标。同时还可以计算和分析设备承受各种激励形式的 动力学响应，其中包括：冲击、振动、噪声等。这种方法的缺点是：不正确的 模型假设会带来模型的误差，或者可能与实际弹性系统不持，遗漏有影响的薄 弱环节，引起分析不够严密。另外，由于动静载荷效应的不同，弹簧阻尼的线 性与非线性影响，要求精确计算往往很复杂。 二、有限元法求解冲击磨料磨损问题概述佑1 1 9 6 0 年，美国的克拉夫( c l o u g h ) 首先提出了有限元法，用有限单元法分 析冲击问题，其精度比传统方法高。对于冲击过程的数值模拟，从5 0 年代起开 始有了较系统的研究。后来，随着计算机的发展和一些关键算法( 如构形选择、 稳定网格和步长、接触算法、人工粘性等) 的解决和完善，冲击问题的有限元程 序得到了广泛的发展和应用。 通过本文上述分析比较，我们可以看到：固体之间的冲击磨损问题是一种 高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题 的特性和建立合理的模型是很重要的。由于动力接触面边界条件的非线性、接 触压力分布及应力应变将随时间历程变化，因此采用有限元等数值方法求解冲 击接触问题较求解静力接触问题更为复杂。 三、有限元分析软件a n s y s 简介” a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，是世界有限元界最著名的公司，其开发的有限 元分析软件a n s y s 不断吸取当今计算方法和计算机技术的最新成果和技术，领 导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有了全球最大的用 户群，是目前世界最著名的有限元分析( f e a ) 软件，a n s y s 软件是融结构、热、 流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁 道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土 木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研 究。其主要功能包括：结构分析、熟分析、高度非线性结构动力分析、流体动 昆明理工大学硕士学位论文冲击唐抖磨损机理研究 力分析、电磁场分析、声学分析、压电分析和多场耦合分析。 2 4 有限单元法求解问题的方法和步骤 我们知道a n s y s 是使用有限元法来求解的，在弹性结构有限元法常用的理 论基础中，从数学方面来说是变分法，从力学方面来说是能量原理。1 。 在有限元法中，建立单元方程并推导基本方程的方法至少有四种。第一种 称为直接法，其来源于结构分析的直接刚度法。这种方法的优点是简单、直观。 第二种是变分法，它通过变分原理建立单元方程，从而得到整体基本方程。第 三种方法是加权残数法，它从问题的控制微分方程出发，并不依赖于泛函或变 分原理。第四种方法称为能量平衡法，它取决于系统的热平衡或机械能平衡。 其中，运用最广的是变分法，大部分的有限元文献也都采用这种方法。 弹性力学的普遍方程是表示弹性区域内各点均应成立的关系，若把他们转 变为整个区域必须成立的关系，则所得的积分关系就是应用于弹性力学问题的 各种变分原理。有三种应用较广的变分原理：最小势能原理( 虚位移原理) 、最 小余能原理( 虚应力原理) 和雷斯纳原理，它们分别适用于有限元分析的位移 法、力法、混合法。 用有限元分析问题时，其步骤总是大体相同的，简述如下“： ( 1 ) 求解区域或结构的离散化。此步从数学意义上讲，就是把连续的微分方程 近似地化为离散的代数方程组。因此，要将求解区域用点、线、面，剖分为有 限数目的单元，并根据结构具体情况和精度要求，使单元达到一定的数量。一 般情况下，单元的边界总不能与求解区域的真实边界完全吻合，这就带来了有 限元法的一个基本近似性几何近似。 ( 2 ) 选择位移模式。单元的位移模式又称位移函数，是表示单元内任意点位移 随位置变化的函数式。又因往往用单元的节点位移来表示它们，所以又叫位移 插值函数。由于所采用的这种函数是一种近似的试函数，一般不能精确反映单 元中真实的位移分布，这就叫描述场变量( 位移) 变化的近似性，即场近似。 ( 3 ) 推导单元刚度方程。我们用单元刚度方程来联系单元的节点位移与节点力 的关系，它实际上足单元的各个节点的平衡方程，其系数矩阵称为单元刚度矩 阵，即 【捌。 占) = f ) 。 ( 2 一1 ) 式中，角标e 表示单元编号： 研和 f 。代表单元的节点位移列阵和节点力列 阵，【棚称为单元刚度矩阵，它的每一个元素都反映了一定的刚度特性，即产 生单位位移所需施加的力。单元剐度矩阵仅取决于单元形态和材料性质，所以 在一个单元范围内，材料性质必须相同，而不同的单元可以有不同的材料性质。 ( 4 ) 集合单元刚度方程，形成有限单元法基本方程。集合所遵循的原则是各相 邻单元在共同节点处具有相同的位移。集合的过程包括单元刚度矩阵集合成总 刚度矩阵，以及单元节点力列阵集合成总节点载荷列阵。集合时，根据节点和 单元的编号采取依次按号就位的方法。即： 昆明理工大学硕士学位论文冲击蘑料磨损机理研究 【k 】 万 = r ) ( 2 2 ) 式中， 占 是总节点位移列阵， 尺 是总节点载荷列阵( 面力载荷、体力载荷、 末作用在节点上的集中力载荷等，均应事先移植到相关节点上，形成等效节点 载荷) ，【k 】是总刚度矩阵，且【k 】= 乏： k i 。 t ( 5 ) 求解基本方程，得到节点位移。如果结构的边界均无位移约束，则在外载 荷作用下，可能产生刚体运动，即系数矩阵 k 将是一个奇异阵( 对应的行列式 的值等于零) ，逆矩阵不存在，方程将具有不定解。所以，必须按结构实际的边 界位移约束条件，对基本方程进行处理，方能求解。 ( 6 ) 由节点位移计算单元的应力和应变。解出节点位移后，可由弹性力学的几 何方程和物理方程来计算应变和应力。 2 5 弹塑性理论简述聊 一、塑性变形的力学特性 塑性足指在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性，对大多的工程 材料来说，当其应力低于比例极限时，应力一应变关系是线性的。大多数材料在其 应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当撤消载荷时，其应变也完 全消失。在应力一应变的曲线中，低予屈服点的叫作弹性部分，超过屈服点的 叫作塑性部分，也叫作应变强化部分。 塑性力学的应力一应变关系涉及以下三方面内容，它们是分析塑性问题所必 须的： ( 1 ) 弹性范围的应力一应变关系： ( 2 ) 标志进入塑性流动的应力条件，用以确定哪个范围内的材料已进入塑性状 态，从而在计算时针对不同状态的材料采用不同的关系式； ( 3 ) 进入塑性状态后，塑性应变增量与应力状态之间的关系。 勃列奇门( b r i d g e m a n ) 根据大量实验观察指出：塑性变形与静水应力无关， 只与偏应力有关，同时也与切应力分量有关“。如果空间一个正六面单元体受 到盯。、盯：、吼三个主应力的作用，则平均应力为 铲半 ( 2 - 3 ) 则盯。表示三向等值拉伸或等值压缩状态，称为静水应力。而盯。一o m 、仃：一盯，、 c r 3 一c r 。各代表各面正应力偏离静水应力的量，称为偏应力。所以，任何一个应 力状态都可以看作是偏应力和静水应力的叠加。如果单元体各面上还有切应力， 则静水应力为 昆明理工大学硕士学位论文- 冲击磨料磨损机理研究 呷一o x + o p + o i o 、+ 0 2 + 0 3 盯m2 一2 。 。 jj 仍然未变。而偏应力为 二、屈服准则5 】 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 在塑性理论中，必须知道材料在受到多大的力时就开始发生塑性变形。一 般称物体内一点出现塑性变形时的应力所应当满足的条件叫屈服条件，用以判 别塑性状态是否已经出现。然而，在复杂应力状态下，某点的应力是由六个 应力分量或三个主应力确定的，此时可能的应力组合有无限多种，无法一一进 行实验以判别其中哪些组合使材料产生屈服。屈服准则就是考虑任何可能的应 力组合下，有关产生屈服状态条件的一种假说。在此介绍本文所用的米塞斯( y o n m i s e 8 ) 准则。 米塞斯准则是从能量的角度来导出各种金属塑性变形的准则条件，其物理 意义是：金属如果要过渡到塑性状态，物体单位体积内的应变能登须积聚达到 某一定的数值，而这数值与应力无关，只与材料有关。该准则若用主应力可表 示为： 万= 击【p 一c r 2 ) 2 + p ：一c r 3 ) 2 + p ，一q ) 2 # ( 2 6 ) 米塞斯准则在主应力空闻中的屈服面是一圆柱形，它在万平厦上的投影是一个 圆，可以在主应力空间中画出米塞斯屈服准则，见图2 一l 。 0 3 盯1 a 1 图2 - l 米塞斯屈服准则示意图 从图2 一l 可以看出，在三维中屈服面是一个以盯。= 盯：= 为轴的圆柱瓯 在二维，屈服面是一个椭圆。在屈服面内部的任何应力状态，都是弹性的，屈 服面外部的任何应力状态都会引起屈服。 l3 、，j 一 吒 = 玩 o 一 = q 0 1 1 ， 莓k = 吒 一 ， 吒o = 1 l q 昆明理工大学硕士学位论文冲击蘑料磨损机理研究 三、强化准则” 强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。本文所 用的是多线性等向强化准则( m i s 0 ) ，它是指屈服面以材料中所作塑性功的大小 为基础在尺寸上扩张。对于米塞斯屈服准则来说，屈服面在所有方向均匀扩张， 见图2 2 。该假定是以多条直线段来表示应力一应变关系曲线的“，它适用于比 例加载的情况和大应变分析。 图2 - 2 等向强化时的屈服面变化图 四、弹塑性问题的求解方法1 1 】 弹塑性应力一应变的增量关系式为：d i a = 【h 占 ，此关系式是非线性 的。为达到线性化目的，采取逐步增加载荷的方法。在一定的应力、应变水平 上增加一次载荷，相应地产生应力增量缸) 和应变增量p ) 。只要增加的载荷 适当的小，可将上式近似地写为： 盯 = 【0 】 苫 ，式中 d ，】是加载时的应力 水平函数，与应力和应变的增量无关，所以，这是一个线性关系式。在加载过 程中，弹塑性问题与非线性弹性问题在本质上是一样的。因此，求解非线性弹 性问题的方法也可运用在弹塑性问题上。详细过程见文献 1 1 。 2 6 有限元法求解几何非线性问题概述 在冲击接触问题中，由于位移一应变关系是非线性的，但可用虎克定律描述 应力一应变关系，将这类问题称为几何非线性问题。当把非线性的应变式代入虚 功方程以求出单元的平衡方程时，所得方程仍可写为如下形式： 【k 】 艿r = f ( 2 7 ) 但式中的 k 。已不是一个常数矩阵，在它的各个元素中还含有节点的位移分量， 即由其集成的整个结构的有限元基本方程，是个非线性的代数方程组。在本文 14 昆明理工大学硕士学位论文冲击詹料磨损机理研究 的分析中，是选用完全牛顿一拉斐逊方法( f u l ln e w t o n r a p h s o n ) 来求解这个非 线性方程组的。 此外，冲击问题还涉及到几何非线性动力问题，本文选用了a n s y s 默认的 直接积分法中的纽马克法( n e w m a r k ) ，故对它们作简单介绍。 一、牛顿拉斐逊方法( n e w t o n r a p h s o n ) 一组n 个独立的非线性代数方程： z ( 置，工2 ，工。) = 0 f 2 ( x , ，x z ，) ( 2 - 8 ) 工( ，x 2 ，k ) = 0 其中，x = x = k ，x ：，x 。】7 ，x 代表节点位移列阵或节点坐标列阵，在数 学上是n 维矢量空间的一个矢量或一个点。若把( 2 - 8 ) 中n 个方程的左端排为 列阵，令f ( x ) = u ( ) ( i = 1 , 2 ，h ) ，则式( 2 8 ) 可写作： f ( ) = 0 ( 2 - 9 ) 用牛顿一拉斐逊法求解此问题的解x 时，首先任取一个初始实验点x o ，假定 所设的x 。与正确的解x 相差a x ，而f ( x ) 在x o 点有各阶的连续偏导数，则方 程( 2 9 ) 可用泰勒展开式表示为： f ( x ) = f ( x o + x ) = f ( x o ) + j o ( x x o ) + = 0 ( 2 1 0 ) 其中，j o = ( f ，= l ，2 ，刀) ( 2 1 1 ) 即x o 点的雅可比矩阵，即用x o 的值代入雅可比矩阵所得的结果。若只用式( 2 - 1 0 ) 的前两项，则由近似式可解出： x = x o 一矗1 f ( x o ) 所解得的x 是根的近似值。可以作为下一次计算的初始点，重复进行式( 2 - 1 0 ) 及( 2 - 1 1 ) 的计算，由此形成迭代过程。前后两次迭代的x 之问的关系为： x 7 “= x 7 一j ：1 f ( x ) ( 2 1 2 ) 直到前后两次x 之差的最大值l 她1 一 一，或最大的相对校正值l 缸i x ，i 一 y 0 5 ；卢o 2 5 ( 0 5 + ，) 2 。 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可以找出用u ，+ 。表示的d ，+ 。和d 。+ 。，即： 玩m = 矿1 ( + m u ) 一古玩一( 专一1 ) 驴。( 2 - 2 2 ) 吼m 2 齿( m 川卜唔嘲一等( 舌_ 2 ) 玩 ( 2 - 2 3 ) 将式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 的结果代入式( 2 1 7 ) ，可得仅含未知量u 。的方程，由 此解出u 。后，代回( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) ，即得c ，+ 。和d ，+ 。，完成一个时间步的 计算。再以所得的t + a t 时刻的位移、速度、加速度为基础，求出t + 2 a t 时刻的 状态矢量。如此逐步前进，可得时段t 中每一时间步末端的状态矢量。 昆明理工大学硕士学位论文冲击磨料磨损机理研究 第三章冲击磨料磨损实验研究 3 1 实验设备 本文所做的冲击磨料磨损实验采用宣化材料实验机厂生产的m l d - i o 型磨损 实验机。该机具有多种功能，可模拟多种工况，可用于金属材料和各种干( 湿) 磨料在冲击或无冲击载荷、接触或无接触、滑动或滚动摩擦情况下，金属材料 的耐磨性能试验，通过试验可定量地测试金属材料在不同载荷、不同相互作用 造成的磨损及进行磨损机理的试验研究。为下一步的分析提供数据材料。 m l d - i o 型磨损实验机主要技术参数如下：冲击功0 o 5 公斤米，冲锤重量 l o 公斤，冲击次数5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 次分四档，冲锤自由落体高度o 5 0 毫米，下试样转速2 0 0 转分，磨料粒度o 1 4 毫米，磨料流量0 5 0 公斤小 时。实验原理见图3 - i 。 图3 - 1 冲击磨料磨损实验简图 工作时，将上试样紧固于冲锤上，工作时，冲锤被提到一定的高度，然后自由 下落，使试样反复冲撞在被磨料覆盖的旋转下试样上。在冲锤重新提起进入下 一次冲击磨损循环之前，上、下试样与磨料之间还发生一段时间的相对滑动磨 损。此次用该实验机模拟磨球破碎机在冲击载荷的工况条件下磨球、衬板的