（材料学专业论文）湿式磨机衬板磨损机理的实验室研究.pdf

湿式磨机衬板磨损机理的实验室研究 摘要 球磨机是广泛应用于冶金、矿山、电力、化工及建材基础工业部门的研磨 设备，该设备磨损十分严重，球磨机上所使用的衬板更是该设备上的重要易损 件。其中尤以湿式磨机衬板的工况条件最为恶劣，既有磨料的磨损作用，又有 磨球的冲击与矿浆的腐蚀作用。本文针对这种情况，在前人开发的基础上熔炼 出湿式磨机衬板用低碳高合金钢之后，对其磨损机理进行了一定的探讨。 研究发现，在实验室磨损系统的各变量因素中，磨料，时间以及时间与磨 料的交互作用对试样耐磨性的影响非常显著，而介质酸碱性的影响可以忽略a 通过对纯冲击磨损与冲击磨料磨损机理研究表明：疲劳剥层是两种磨损形式的 主要磨损机制，并且随冲击时间延长，有从浅层剥落过渡到深层剥落的趋势； 对两种磨损机理的比较发现：磨料的存在增大了局部冲击载荷，加速了亚表层 裂纹的形核与扩展，增加了剥落层片的厚度，使磨损失重率提高达2 个数量级。 本文还借助a n s y s 有限元分析工具，分析了冲击磨料磨损冲击过程中试样 的应力分布状态，对前文的磨损机理分析进行了验证，定性分析了冲击载荷对 磨损失重的影响。 关键词：冲击磨损 冲击磨料磨损疲劳剥层磨料有限元 l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h ew e a rm e c h a n i s mo f w e t - g r i n d i n gm i ul i n e r a b s t r a c t g r i n d i n gm i l l sh a v e b e e nb r o a d l yu s e di nm e t a l l u r g y ，m i n e r a l s ，e l e c t r i c p o w e r ，c h e m i c a la n db u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r i e s ，i nw h i c hl i n e r se s p e c i a l l yf o r 、e t - g r i n d i n gm i l l st e n dt ob ew o m m u c hm o r es e r i o u s l yd u et ot h ei n t e r a c t i o no f a b r a s i v e ，i m p a c to fg r i n d i n gm e d i aa n dc o r r o s i o no fs l u r r y t oe x p l o r et h ew e a r m e c h a n i s mi n v o l v e di nm i l l i n gp r o c e s s i n g ，t h el o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e lw a s i n v e s t i g a t e du n d e r t h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n si nt h i ss t u d y i tw a sc o n c i u d e dt h a t ，a m o n ga l lt h ev a r i a b l ef a c t o r s ，a b r a s i v e ，t i m ea n dt h e i n t e r a c t i o no ft h e mp l a yt h el a r g e s ti m p a c to nt h em a t e r i a l sw e a rr e s i s t a n c e ，o nt h e c o n t r 甜y ，i tw a sr e c o m m e n d e dt on e g l e c tt h er o l eo fc o r r o s i o na r o u s e db ys l u r r y a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c ho nt h ei m p a c ta n di m p a c ta b r a s i v e w e a r ，f a t i g u e d e l a m i n a t i o nw a st h em a i nm a s s 1 0 s sm e c h a n i s mi n v o l v e di nt h e s et w ow e a r b e h a v i o r s a d d i t i o n a l l y ，t h es i c k n e s s0 fl a m i n a t e st e n d st oi n c r e a s ea l o n gw i t ht h e p f o c e s s i n gt i m e i tw a sa l s or e v e a l e dt h a t ，b ye n h a n c i n gt h el o c a ii m p a c tl o a d s ，t h e a b r a s i v ea c c e l e r a t e dt h en u c l e a t i o na n de x d a n s i o no fs u b s u r f h c ec r a c k sa n dc a u s e d m u c hh i g h e rw e a rl o s sr a t ei ne x p o n e n t i a lm a g n i t u d e t h ea n s y s f i n i t ee l e m e n tc o d ew a sc h o s e nt od e r f o mt h et r a n s i e n t d y n a m i ci m p a c t s i m u l a t i o nc o n d u c t e dt h r o u g h o u tt h e s ei n v e s t i g a t i o n s t h e s i m u l a t i o nw e l lv a l i d a t e dt h er e a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dc a c u l 砒e dt h e i n n u e n c eo fi m p a c tl o a do nm a t e r i a l sw e a rb e h a v i o ri nq u a l i t y k e y w o r d s ： i m p a c tw e a r i m p a c ta b r a s i v ew e a r a b r a s i v e f i n i t ee l e m e n t 插图清单 图1 1 微观切削机理 图1 2 犁皱机理 图1 3 微观断裂机理 图2 1 退火工艺曲线 图2 2 淬火温度对合金性能的影响 图2 3 淬火及回火工艺曲线 图2 4 低碳高合金钢淬火态组织 图2 5 磨料形貌 图2 6 磨料磨损试验机工作原理图 图2 7 实验室与实际工况条件下的磨面对比 图2 8 实验室与实际工况条件下的亚表层结构对比 图3 1 磨损系统的简要表示法 图3 2 实验室磨料磨损系统 1 9 2 0 图3 3i ，a ，口三因素直观分析图2 3 图3 4i ，t ，a 三因素直观分析图2 5 图4 1 冲击磨损失重与时间的关系3 0 图4 2 冲击磨料磨损失重与时间的关系3 2 图4 3 试样冲击磨损规律与冲击磨料磨损规律对比3 3 图4 41 7 j 冲击载荷下试样冲击磨损磨面s e m 形貌3 6 图4 51 7 j 冲击载荷下试样冲击磨损磨面低倍s e m 形貌3 6 图4 62 7 j 冲击载荷下试样冲击磨损磨面s e m 形貌1 3 9 图4 72 7 j 冲击载荷下试样冲击磨损磨面高倍s e m 形貌3 9 图4 81 7 j 冲击功下试样冲击磨料磨损磨面s e m 形貌4 2 图4 91 7 j 冲击功下试样冲击磨料磨损磨面高倍s e m 形貌4 3 图4 1 02 7 j 冲击功下试样冲击磨料磨损磨面s e m 形貌4 6 图4 1 12 7 j 冲击功下试样冲击磨料磨损磨面高倍s e m 形貌4 6 图5 1 只有法向载荷( o h z = 1 0 9 牛米_ 2 ) 时圆柱体对平面接触的最大剪应力 ( 1 0 6 牛米- 2 ) 4 8 i i l 石 一 舟 他 他 n ” m 他 捕 一 一 一 一 一 一 一 一 ! | ；| ! | 一 ! | ；| ；| 图5 2 兼有法向和切向( f t f n = o 3 ，a h z = 1 0 9 牛- 米一2 ) 合成载荷时的最大剪 应力( 1 0 6 牛米_ 2 ) 4 8 圈5 3 冲击示意图4 9 图5 4 亚表面裂纹形成位置5 l 图5 5 冲击磨损低冲击载荷下磨面亚表层结构5 2 图5 62 7 j 冲击磨损4 0 m i n 磨面形貌5 4 图5 7 粘附磨损形貌5 4 图5 8 粘附磨损表面裂纹的起源及磨损微粒的形成5 5 图5 9 冲击磨损高冲击载荷下磨面亚表层结构5 6 图5 1 0 冲击磨料磨损中低冲击载荷下的亚表层结构5 9 图5 1 1 挤出舌脱落示意图5 9 图5 1 2 冲击磨料磨损中高冲击载荷下的亚表层结构6 1 图5 1 3 磨料挤压变形磨损示意图6 2 图5 1 4 剖面上的硬度变化曲线6 2 图6 1 有限元模型6 5 图6 2 低载荷中心节点速度一时间曲线6 6 图6 3 低载荷中心节点位移一时间曲线6 6 图6 4 低载荷中心节点加速度一时间曲线6 6 图6 5 低载荷中心节点等效应力一时间曲线6 7 图6 6 低载荷中心节点等效应变一时间曲线6 7 图6 7 低载荷2 2 5 m s 节点等效应力6 7 图6 8 低载荷2 5 5 m s 节点等效应力6 7 图6 9 低载荷3 o o m s 节点等效应力6 7 圈6 1 0 低载荷1 0 o o m s 节点等效应力6 7 图6 1 l 低载荷中轴y 向位移曲线7 0 图6 1 2 低载荷表面横轴y 向位移曲线7 0 图6 1 3 高载荷中心节点速度一时间曲线7 1 图6 1 4 高载荷中心节点位移一时间曲线7 l 图6 1 5 高载荷中心节点加速度一时间曲线7 l 图6 1 6 高载荷中心节点等效应力一时间曲线7 1 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 1 图6 2 2 图6 2 3 高载荷中心节点等效应变一时间曲线 高载荷1 8 0 m s 节点等效应力 高载荷2 0 0 m s 节点等效应力 高载荷3 0 0 m s 节点等效应力 高载荷l o o o m s 节点等效应力一 高载荷中轴y 向位移曲线 高载荷表面横轴y 向位移曲线 v 记记记记 ” 表1 1 磨损分类 表2 1 低碳高合金钢的成分范围 表2 2 磨损试验参数 表2 3 磨料磨损试验机种类 表2 4 重复试验结果 表格清单 表3 1 因素列表 表3 2i ，a ，p 三因素正交表 表3 3i ，a ，口三因素直观分析表 表3 4i ，t ，a 三因素正交表 表3 5i ，t ，a 三因素直观分析表 表3 6 i ，a ，p 三因素方差分析表 表3 7i ，t ，a 三因素方差分析表 表4 1 试验安排 表4 2 冲击磨损失重 表4 3 冲击磨料磨损失重 表5 1 剖面硬度值 表6 1 模型物理参数 表6 2 低载荷最大节点等效应力坐标 表6 3 低载荷节点最大应力分量坐标 表6 4 高载荷最大节点等效应力坐标 表6 5 高载荷节点最大应力分量坐标 v i 4 1 1 1 4 1 6 1 7 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 |i|一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | | | | | | | ；| | ； ；| | | | | ：| 一 一 一 | ： 一 一 一 一 一 ：| | | | | ；| ；| | | | | | ； | | | | | | 一 | | | | | | | i | | | | | | ；| 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得佥目b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位澈储酶泰畸街吼溅7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名多心、i 辟 导师签名：，了力矿为 签字日期：醇年7 月，日签字日期：沙晴年7 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师丁厚福教授的悉心指导与关怀下完成的。导师严谨的治学态 度、渊博的学识、敏锐的科学思维、大胆创新的科学精神以及无私奉献的高尚 情操、乐观大度的生活态度令学生终生难忘。三年来，丁老师不仅在学业上给 予作者极大的指导和教诲，而且在生活上给作者以无微不至的关怀和帮助；不 仅传授科研治学的思路和方法，更注重教导为人处世的道理和准则。值此论文 完成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢，希望恩师能早日康复! 在实验过程中，材料科学与工程学院实验中心的郑玉春、程娟文、张明秀、 王学伦、何元祥、王强、熊振茵等老师给予了大力帮助和支持。作者在此表示 衷心的感谢! 作者还要特别感谢杜晓东老师在作者的困难时期给予的无私帮助。感谢李 先芬、余谨等老师为作者提供的大量指导和帮助，感谢师弟王凯、吴凯、蓝辛 基同学和师妹邢文静、马瑞石同学等在实验中给予的协助和所做的大量工作。 同时作者要感谢身边的同窗好友郭亮、袁玉鹏、张敏、戴鹏等同学在生活 中所给予的帮助，感谢所有关心、帮助过作者的朋友。 最后，作者要感谢家人在三年的学习生涯对自己的学习、生活和工作上的 关心、帮助和支持。 本课题得到教育部重点项目( o l l 0 4 ) 和安徽省自然科学基金( 0 0 0 4 6 4 0 1 ) 资助。 作者：严小冲 2 0 0 5 年6 月 1 1 选题背景和意义 第一章文献综述 自从1 9 6 6 年j p j o s t 川提出那份著名的有关磨损给经济带来的损失及其 有关磨损研究的重要性的研究报告，各国学者纷纷调查本国由于摩擦、磨损及 润滑等方面造成的经济损失。据统计，美国机械设备零件的磨损、腐蚀和断裂 三种主要失效形式所造成的经济损失很接近，分别占国民生产总值的4 左右 忙j 。虽然摩擦学( t r i b o l o g y ) 作为一门独立的学科发展已有三十几年的历史 了，但是作为摩擦学的三个主要构成，摩擦、磨损和润滑这几个部分的研究、 发展很不均衡。从实际的工程设计、制造和维修的角度出发，摩擦学真正能为 工程设计( 主要是指摩擦学设计) 提供理论依据的，尤其是定量的依据，还要 数摩擦和润滑两个部分。而磨损理论的发展相对要落后许多。因为到今天为止， 关于磨损的机制还没有一个普遍令人信服的理论或解释。 关于磨损，欧洲的经济合作和发展组织的工程材料磨损研究组曾给出一个 定义：因为接触，相对运动的两个物体的表面发生的材料丢失或材料转移现象。 毫无疑问，磨损给社会经济造成的危害和损失是十分惊人的。根据有些研究人 员的统计【3 】，现今世界能源消耗的1 3 1 2 是因为摩擦和磨损所造成的。从材 料消耗的角度来说，约8 0 的机械设备失效是由磨损引起的。这其中磨料磨损 约占全部损失的1 2 。 为了有效地控制磨损，减小其对社会经济造成的损失和危害，有关磨损机 理和抗磨技术的研究就显得日臻重要了。因为相关的研究可以广泛地用于工业、 农业国防等领域，并将有效地节约能源和降低材料消耗，提高机械设备的可靠 性和使用寿命，大大降低维护和修理费用。这对国民经济的发展有着重大的意 义。由于目前有关磨料磨损理论的发展还处在不够成熟的阶段，所以对磨料磨 损机理的研究也不深入和全面。j t b u r w e l l 根据产生磨损的机制把磨损分为 粘着磨损磨料磨损表面疲劳磨损化学磨损四种基本类型【4 】。这其中尤以 磨料磨损所造成的损失为大，约占到全部磨损引起的经济损失的5 0 6 0 。所以， 对磨料磨损理论的研究有助于提高人们对磨损这一复杂现象的正确认识：有助 于改善在摩擦学设计中，磨损理论方面基础薄弱的局面。 球磨机是广泛应用于冶金、矿山、电力、化工及建材基础工业部门的研磨 设备，该设备磨损十分严重，尤其是球磨机上所使用的衬板更是该设备上的重 要易损件。根据分析可知，研磨破碎设备的失效8 5 是由于磨损，其中5 0 是 由于磨料磨损造成的，磨料磨损是造成磨损失效的最普遍和最重要的原因。在 1 1 选题背景和意义 第一章文献综述 自从1 9 6 6 年j p j o s t1 1 1 提出那份著名的有关磨损给经济带来的损失及其 有关磨损研究的重要性的研究报告，各国学者纷纷调查本国由于摩擦、磨损及 润槽等方面造成的经济损失。据统计，美国机械设备零件的磨损、腐蚀和断裂 三种主要失效形式所造成的经济损失很接近，分别占国民生产总值的4 左右 “j 。虽然摩擦学( t r l b o l o g y ) 作为一门独立的学科发展已有三十几年的历史 了，但是作为摩擦学的三个主要构成，摩擦、磨损和润滑这j l 个部分的研究、 发展很不均衡。从实际的工程设计、制造和维修的角度出发，摩擦学真正能为 工程设计( 主要是指摩擦学设计) 提供理论依据的，尤其是定量的依据，还要 数摩擦和润滑两个部分。而磨损理论的发展相对要落后许多。因为到今天为止， 关于磨损的机制还没有一个普遍令人信服的理论或解释。 关于磨损，欧洲的经济合作和发展组织的工程材料磨损研究组曾给出一个 定义：因为接触，相对运动的两个物体的表面发生的材料丢失或材料转移现象。 毫无疑问，磨损给社会经济造成的危害和损失是十分惊人的。根据有些研究人 员的统计l j j ，现今世界能源消耗的1 3 1 ，2 是因为摩擦和磨损所造成的。从材 料消耗的角度来说，约8 0 的机械设备失效是由磨损引起的。这其中磨料磨损 约占全部损失的l ，2 。 为了有效地控制蘑损，减小其对杜会经济造成的损失和危害，有关磨损机 理和抗磨技术的研究就显得日臻重要了。因为相关的研究可以广泛地用于工业、 农业国防等领域，并将有效地节约能源和降低材料消耗，提高机械设备的可靠 性和使用寿命，大大降低维护和修理费用。这对国民经济的发展有着重大的意 义。由于目前有关磨料磨损理论的发展还处在不够成熟的阶段，所以对磨料磨 损机理的研究也不深入和全面。j t b u r w e l l 根据产生磨损的机制把磨损分为 粘着磨损磨料磨损 表面疲劳磨损化学磨损四种基本类型 4 】。这其中尤以 磨料磨损所造成的损失为大，约占到全部磨损引起的经济损失的5 0 6 0 。所以， 对磨料磨损理论的研究有助于提高人们对磨损这一复杂现象的正确认识：有助 于改善在摩擦学设计中，磨损理论方面基础薄弱的局面。 球磨机是广泛应用于冶金、矿山、电力、化工及建材基础工业部门的研磨 设备，该设备磨损十分严重，尤其是球磨机上所使用的衬板更是该设各上的重 要易损件。根据分析可知，研磨破碎设备的失效8 5 是由于磨损，其中5 0 是 由于磨料磨损造成的，磨料磨损是造成磨损失效的最普遍和最重要的原因。在 由于磨料磨损造成的，磨料磨损是造成磨损失效的最普遍和最重要的原囡。在 所有的研磨设备中，尤以湿式磨机衬板的工况条件最为恶劣，既有磨料的磨损 作用，又有磨球的冲击与矿浆的腐蚀作用。近年来，关于磨损材料的磨损机理 问题，国内外学者做了大量的研究工作，并取得了一定的成效，但关于湿式磨 机衬板磨损机理的研究，却鲜有介绍。本文针对这种情况，在前人开发的基础 上熔炼出湿式磨机衬板用低碳高合金钢之后，对其磨损机理进行了一定的探讨。 1 2 摩擦与磨损的研究历史和现状 t r i b 0 1 0 9 y 这个词于上世纪6 0 年代被英国政府委员会第一次使用，源自希 腊语“t r i b o s ”，意为摩擦。它被定义成：研究处于相对运动中的相互作用的 表面的摩擦、润滑和磨损等机械装置的科学”1 。其实，早在石器时代，人类就 已对磨损磨擦现象产生了兴趣，并获得了初步的认识。应该说像钻木取火、石 器的打磨等对人类文明的诞生和发展起到了主要作用的行为就是这种初步认识 的运用结果。在大约4 0 0 0 年前，古埃及人修建金字塔时就已经懂得了利用冰 面低的磨擦系数和利用动物的油脂作润滑剂来运输大块的石料。然而对摩擦和 磨损现象的系统试验研究则比上述的早期应用要晚了许多。d av i n c i ( 公元1 4 5 2 年一1 5 1 9 年) 最早做了有关材料摩擦磨损的研究工作。他曾用光滑大理石做实 验得出如下结论：两光滑平面之间的摩擦在两物体刚要开始滑动时，摩擦力为 上部物体重力的1 4 。这是最早的关于光滑的固体其静摩擦力和重力之间比例 系数的描述。1 9 7 6 年在马德里发现的d av i n c i 的手稿中，介绍了他的简单滑 动轴承磨损方面的验。记录的实验表现，磨损随载荷的增加而增加。而且磨损 主要发生在载荷的主向量方向上。他还研制了一种成分为3 0 铜和7 0 锡的轴 瓦材料。这些成果以今天的摩擦学知识来分析也都基本上是正确的。在这大约 2 0 0 年以后，j t d e s a g u l i e r 就提出了物体在相互磨擦时存在粘附过程的假说 【6 】，现今摩擦学中的摩擦粘附机制理论就是源于此假说。在1 6 9 9 年，g a m o n t o n 经过对摩擦现象细心的研究提出了【j 7 】：摩擦力与法向载荷成正比，而与接触面 积无关。在1 7 8 5 年，c a c o u l o m b 提出了摩擦力与滑动速度无关的发现。后 人把这两位学者的发现称为a m o n t o n c o u l o m b 摩擦定律，即：摩擦力与法向载 荷成正比。摩擦力与名义接触面积无关；摩擦力与滑动速度无关。与d e s a g u l i e r 不同的是，a m o n t o n 和c o u l o m b 都认为摩擦是由于接触面上物体之间的凹凸不 平，相互咬合所致。到了2 0 世纪2 0 年代，w b h a r d y 俐和g a t o m l i n s o n 【州 先后提出了摩擦的粘附理论。他们认为，相互接触的物体表面的分子之间因电 负性的差异，存在着相互粘着的力，从而导致摩擦力的产生。不过这一理论有 一个致命的缺陷，因为按照粘附理论，摩擦力的大小与物体的接触面积的大小 是成比例的，这与大量的实验结果不相符。后来，r h o l m u j 在1 9 3 8 年首先提 出了真实接触面积的概念，才使得粘附理论进一步完善。h o l m 认为，即使是磨 得很光的表面也存在着一定程度的凹凸波纹，这就导致了相互接触物体的真实 接触面积远远小于名义接触面积的结果。其实，同一时期的h e r n s t ，m e m e r c h a n t 和f p b o w d e n 等人也都注意到了真实接触面积与名义接触面积的差 异，并把它用于解释a m o n t o n c o u l o m b 摩擦定律。 在1 9 2 9 年，f u c h s e l l l u 提出了磨损是一种接触表面的塑变，既而发生金属 的剥离过程的理论。后来，m f i n k 等人对这一理论作了补充，他们指出：磨 损过程中变形金属会发生氧化，而这种氧化会加速磨损的产生。这对后来化学 磨损理论的产生有着开拓性的意义。在1 9 4 2 年，f p b o w d e n 和d t a b o r 【1 3 1 首 次提出了微突体对软材料表面的犁削作用，这为后来的微切削磨损理论和塑变 磨损理论的提出奠定了一定的基础。到了2 0 世纪中期，随着制造业的迅猛发展 和科学技术的飞速进步，机器设备的服役环境向着高速、重载、高精度和高可 靠性方向发展。这样就对有关设备的效率，能耗和在特殊环境下的( 高温，高 压，高真压，强耐蚀等) 适应性等，尤其是设备关键部件的使用寿命和可靠性提 出了更高的要求。这就使得人们对摩擦磨损方面的研究迫切性有了更深一层的 认识。l m f e n g ，j t b u r w e l l 和c d s t r a n g 1 4 】首次提出了摩擦过程中接触材 料表面间的金属的转移。并研究了这种转移与磨损之间的关系。j f a r c h a r d 【1 5 】 于1 9 5 3 年提出了磨损体积与载荷和滑动距离成正比，而与相互接中较软的材料 的硬度成反比的经验公式。综上所述，近一个世纪以来，有关磨损的研究工作 取得了长足进步。 1 3 磨损机理研究 n a m p s u h 将磨损分为两大类i i6 】：一类为由材料机械性能决定的磨损。另 一类为由化学过程和热激活过程控制的磨损。前者又包括五种类型的磨损即： 滑动磨损( 剥层磨损) 、微动磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损( 固体粒冲击) 和疲 劳磨损；后者包括四种磨损类型：溶解磨损、扩散磨损、氧化磨损及腐蚀磨损( 详 见表卜1 ) 。本文即将研究的冲击磨损，是两个固体表面在冲击载荷下的磨损， 由于是大面积的冲击接触，故不同于固体颗粒( 点接触) 冲击的冲蚀磨损。根 据文献介绍【l ”，冲击磨损基本上属以滑动磨损为主的磨损，其主要磨损机理为 n a mp s u h 提出的剥层磨损机制。 表卜l 磨损分类 在给定的载荷条件下主要由材料的机械性能决定的磨损过程 主要由化学过程和热激活过程控制的磨损过程 1 3 1 冲击磨损 冲击磨损在工程上并不少见，如矿山机械中的凿岩机活塞钎具冲击摩擦 副、破碎机的腭板岩石、发动机中的气门气门座、球磨机中的磨球衬板、铁 路中的车轮道岔、军械中的撞针弹壳、坦克和拖拉机履带板石头、牙齿等。 因此，研究冲击磨损有良好的工程应用背景。 最早系统研究冲击磨损的是w e l l i n g e r 和b r e c k e l 【”】，他们利用球形冲头 对不同材料试样( 类似于冲击硬度) 作往复冲击，得出试样质量损失w 与冲击速 度v 、冲击次数n 之间的关系，即：w = k n v “其中：k ，v 为材料常数。 e n g e l ，b a y e r 和s i r i c o 【1 9 儿2 0 】研究了复合冲击( 冲击伴有滑动) 规律，指 出存在一个零磨损期，主要观点认为冲击磨损系亚表面材料疲劳引起，而疲劳 裂纹萌生、扩展直至断裂需要时间，在未疲劳破坏之前不产生磨损，故有一磨 损孕育期。该试验结果与随后w p s u h 的剥层磨损机制相一致。 4 最值得一提的是r i c e ，n o w o t n y 和w a y n e 【2 1 】【2 2 】【2 3 】f 2 4 l 【2 5 1 【2 6 1 的研究，他们设 计了冲击磨损实验装置，首次提出了冲击磨损表层、次表层组织特征，由里及 外将它们分为三个区域：i 区为基材区( b a s em a t e r i a l ) ，该区未受表面变形 的影响；i i 区为塑性变形和组织细化区( p 1 a s t i cd e f o r m a t i o na n d r e f i n e m e n t ) ，该区可见到微晶碎化、重新取向及组织细化，但该区无成分变 化；区为组份混合区( c o m p o s i t i o n a lm i x ) ，认为该区与i 、i i 不同，除塑 变组织细化外还有配副试样材料转移物，并受环境介质成分的影响，被转移材 料多少主要取决于相对滑动速度，而与正冲击载荷关系不大。他们对磨粒成分 研究得出，磨粒是由非常小的晶粒组成，并伴有相变、氧化发生。他们还研究 了材料强韧性对冲击磨损的影响，得出在相同配副上试样为1 7 4 p h 不锈钢时， 通过热处理改变下试样a f l 4 1 0 强韧性，得出硬度相同时，高韧性组织的磨损抗 力高于高强度处理的材料，扫描电镜分析磨损表面形貌得出，磨损属于剥层与 磨削机制。 1 3 2 剥层磨损 磨损既然是一个表面和亚表面材料的塑性变形与断裂过程，一般来说，它 应该包括有塑性变形的局部积累、磨损裂纹形成与扩展、并合，直至材料分离 过程。为此n p s u h 于1 9 7 3 年提出了剥层磨损理论【2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 l 】 3 2 】【3 3 】【3 4 】【3 5 】【3 6 】 。该理论把材料的磨损特性与微观组织密切联系起来。剥层磨损过程可分为五 个阶段：( 1 ) 两表面接触时，通过接触点传输法向和切向载荷。较软表面上的微 凸体在重复载荷的作用下易于变形和断裂，形成磨损小颗粒。硬质微凸体也脱 落，但脱落的速度较低。当微凸体变形或脱落时，开始产生出相当光滑的表面； ( 2 ) 由接触点的硬质微凸体施加的表面作用力使每一次加载循环产生塑性变形 增量，并随着重复加载而积累。经过一定次数的循环加载后遗留下来的永久变 形增量，小于在该循环中出现的总塑性变形量，因在给定循环期间，剪切方向 转换，弹性卸载应变值相当于塑性应变量；( 3 ) 随着亚表面继续变形，在表面下 面核生出裂纹。由于就在接触区下面存在三向压缩载荷状态，所以非常接近表 面处不会出现裂纹核生；( 4 ) 一旦裂纹出现( 由裂纹核生或事先存在的空穴和裂 纹) ，进一步加载和变形会引起裂纹延伸和扩展，最后与相邻裂纹相连。裂纹 沿平行于表面的方向传播，其深度与材料的性质和加载状态有关。( 5 ) 当裂纹最 后剪切到表面时，便剥落出长而薄的磨损片。磨损片的厚度与亚表层裂纹滋长 位置有关。磨损率由裂纹核生速率或裂纹扩展速率决定，但裂纹扩展率总是比 较慢。 1 3 3 磨料磨损 磨料磨损是指硬的磨粒或表面微凸体在与较软的表面的摩擦过程中，使表 面材料发生损耗的现象或过程。按磨损系统中有无第三体可将其分为两体磨料 磨损( 一个部件表面和固定磨料接触所发生的磨损) 和三体磨料磨损( 磨料介 于两物体表面之间所发生的磨损) 两种形式；按表面所受的作用力分有：凿削 式磨料磨损、高应力辗碎式磨料磨损和低应力擦伤式磨料磨损三种。；由于磨 损过程的变化有强烈的动态特性，实际工况条件下，往往不只是一种磨损机理 其作用，而是几种磨损机理的综合作用，甚至是几种磨损类型的综合作用，比 如球磨机衬板磨损系统中就包含磨料磨损，冲击磨损和腐蚀磨损三种磨损类型 的综合作用。尽管如此，还是有一种磨损机理其决定性作用，它与整个磨损系 统的特性有关系。至于磨料磨损则是湿式磨机衬板磨损系统的主要磨损机制， 目前流行比较广的几种磨料磨损机理为： ( 1 )微观切削机理：磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力这 两个分力。法向力使磨粒压入表面，在表面形成压痕：切向力使磨粒向 前推进，当磨粒的形状与方向适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行 切削而形成切屑。如图1 1 所示。由于切削的宽度和深度都很小，切屑 也很小，故称之为微观切削。磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很 大。当磨粒形状较圆钝时，或者在犁沟的过程中磨粒的棱角而不是棱面 对着运动方向时，或者磨粒和被磨材料表面间的夹角( 攻角) 太小时，或 者表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后，只犁出一条沟来，把 材料推向两边或前面，而不能切削出切屑来。 i = ，l 届 圈1 1 微观切削机理 6 ( 2 ) 多次塑变( 犁皱或微观压入) 导致疲劳断裂的磨损机理口7 1 【3 8 1 【3 9 】【4 0 】： 如图卜2 所示，当磨粒滑过表面时，除了切削外，大部分磨粒只把材料 推向前面或两旁，这些材料受到很大的塑性变形，却没有脱离母体，同 时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟形成时一般可能有 一部分材料被切削而形成切屑，一部分则仅有塑性变形，被推向前缘的 成为塑变楔，被推向两侧的成为塑变脊。若犁沟时全部的沟槽体积都被 推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑，则称之为犁皱。犁沟或犁皱后 产生的塑变脊和塑变楔，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材 料重新压平，也可能使己变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形，如此 反复塑变，导致材料的加工硬化或其它强化作用终于剥落而成为磨屑。 像这样表面微观组织受到周期性载荷作用而产生磨损叫低周疲劳磨损。 这是因为材料在超过弹性极限的周期性重复应力作用下才有破坏的现 象，因而扩大了疲劳的含义。而且实验表明，正常测定的疲劳极限不能 作为材料磨料磨损耐磨性的基本判据。 边缘硪 i ；出睦 图l - 2 犁皱机理 ( 3 )微观断裂( 剥落) 磨损机理：如图1 3 所示，磨损时由于磨料压入材 料表面而具有静水压的应力状态，所以大多数材料都会发生塑性变形。 但对有些材料，特别是脆性材料，则可能是断裂机理占支配地位，当断 裂发生时，压痕处有明显的表面裂纹，这些裂纹从压痕四周出发向材料 7 的内部伸展，裂纹平面垂赢与试样表面而呈辐射状为中线裂纹，压痕附 件还有横向的无出口裂纹。当横向裂纹相互交叉或扩展至表面时，就造 成微观断裂机理的材料磨损。脆性材料的压痕断裂，其外部条件取决于 载荷大小，压头的形状和尺寸，内部条件则取决于材料的硬度及断裂韧 性等。 图1 3 微观断裂机理 ( 4 )疲劳磨损机理：即磨损是表层微观组织受周期性载荷的作用而产生 的。标准的疲劳过程有发展的潜伏期，在潜伏期内，表面不出现任何破 坏层，材料外部发生硬化而不会发生亚微观破坏。当进一步发展时，在 合金表面出现硬化的滑移塑变层和裂纹。疲劳形成的表层破坏源于离表 面不远的距离。例如在最大接触应力处，疲劳破坏为局部破坏，具有较 深或较圆的坑。 1 4 本文思路及主要工作 关于球磨机衬板的磨损机理，目前尚没有完全一致的意见，其主要原因为 其磨损机理受多种因素控制，比如磨料的特性( 组成、粒度、形状、硬度等) 、 介质的性质( 温度、湿度、酸碱度等) 、磨料对衬板的作用方式( 力、相对速 度、方向等) 等，如果对这些因素一一进行研究将耗费大量的人力、物力以及 时间，在实际操作上对这么多的因素进行组织、分类也非常困难。 本文在师姐卢书媛和师兄崔方明工作的基础上，根据前人经验摘选出那些 可能对衬板的磨损机理有重要影响的因素，在实验室条件下以低碳高合金钢作 为试验材料，利用多因素多水平正交表安排试验，在精度要求不高的情况下半 8 定性、半定量地分析这些因素对材料磨损机理的影响。根据所得的结论，剔除 对磨损机理影响不显著的因素，遴选出那些有显著影响的因素，利用全面试验 逐一分析。并通过试验数据( 磨损率) 、材料磨损表面的观测( 宏观的、微观 的) 以及亚表层组织结构的变化对材料的磨损机理进行分析。 论文主要工作： ( 1 )材料制各； ( 2 ) 正交表安排试验，因素显著性分析： ( 3 ) 全面试验，材料磨损规律分析； ( 4 ) 磨面形貌分析，亚表层组织结构分析，确定材料的磨损机理； ( 5 ) 有限元分析模拟冲击过程。 9 第二章低碳高合金钢的制备与实验室磨损试验 2 1 低碳高合金钢的制各 2 1 1 低碳高合金钢的成分 众多专质家研究指出，在湿态下，特别是在腐蚀介质中，同种材料的磨损 率是干态下的数倍( 酸性介中尤其严重) 【4 ”。而且湿态腐蚀磨损并非是纯磨损 与纯腐蚀的简单叠加，而是具有交互加速作用的复杂过程。通过对湿磨衬板的 实际工作条件分析，湿式磨机衬板的材质，应具有较高的硬度、韧性及耐腐蚀 性能：衬板的工作层应尽可能为单相组织，并尽量提高电极电位；同时应尽可 能降低成分偏析、减少有害杂质含量，以及净化晶界。当然，有些因素之间是 相互矛盾的，如韧性和硬度之间。问题的解决在于，从成分、工艺、组织、性 能的控制，寻求耐磨、耐蚀及耐冲击的最佳配合范围。简言之，冶金矿山湿式 磨机衬板的寿命主要取决于它的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击的综合性能。这也是 对该类衬板进行成分设计与化学、物理冶金过程的主导思想。 低碳高合金钢作为种湿式磨机衬板的材质，在成分上力求耐磨、耐腐蚀、 耐冲击三者并重。 ( 1 ) 含碳量的选择：含碳量在0 1 5 一0 3 0 之间选择。含碳量偏低， 材料的韧性将得以大大提高，但耐磨性会不够；而含碳量过高，材料的 硬度、耐磨性会因此而改善，但韧性将难以满足要求。而且高的含碳量 也不能满足组织设计的要求。 ( 2 ) 含铬量的选择：铬是提高钢的淬透性、使钢强化的重要元素，同时 也是提高钢的耐蚀性的重要元素。以往的耐磨衬板材质中，除高铬铸铁 含铬量较高以外，一般材质中含铬量多低于5 。本次设计拟选择铬含 量为7 一1 0 之间。因为偏低的含铬量对材料的耐腐蚀性不利；而偏 高的铬含量对韧性不利。另外含铬量的选择还要兼顾铬量与碳量的合理 匹配。 ( 3 )镍、铝元素的选择：众所周知在合金强化中，多元复合强化的效果 更为显著，为此，本设计拟加入少量镍、钼元素进一步提高合金淬透性。 同时，镍的加入有利于提高会金的韧性；钼有利于消除回火脆性以及提 高合金的抗晶间腐蚀能力。根据文献资料1 4 2 】可知这两种元素对提高材料 综合机械性能来说是不可多得的合金元素。为了控制合金成本，两者加 入量之和不超过3 。镍一般不超过2 ，钼不超过l 。 ( 4 ) 硅、锰、硫、磷元素控制：硅元素含量控制在o 3 0 一o 6 0 之间， l o 锰元素含量控制在o 4 0 一0 8 0 以内。硫、磷元素宜控制在0 0 3 5 以下。 综上所述，低碳高合金钢合金的成分变化范围见表2 1 。 表2 1 低碳高合金钢的成分范围 元素 cc rn im os im sp 含量 0 1 5 7 o 一1 5 0 o 6 0 o 3 0 0 4 0 0 0 3 5 5 0 j c m 2 。合金的铸态组织及各种热处理状态的组织均 基本为板条马氏体。 螯 近 鹭 图2 1 逼火工艺曲线 淬火温度( ) 圈2 2淬火温度对合金性能的影响 1 2 善酐凿i生j盆0 2 2 实验室磨损试验 2 2 1 磨料磨损试验 圈2 3 淬火及圄火工艺曲线 图2 4 低碳高合金钢淬火态组织 近些年来，磨料磨损试验机和研究方法有很大进展，但是。由于磨料磨损 现象比较复杂，影响因素很多。因此，如何在实验室条件下正确模拟实际零件 的磨损行为是一个十分复杂的问题，其关键在于实际工况( 磨料性质、载荷大 小、载荷作用方式、工作环境) 的准确模拟。 低碳高合金钢作为一种矿山湿式磨机衬板用钢，使用工况条件恶劣：既受 腐蚀又受冲击和磨