（材料加工工程专业论文）45钢基体上d172焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 | j 0 i ii i ii ii i iii l l l l l ll li i i i i i f y 18 8 4 6 0 4 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学 位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：彳日芬指导教师签名：胃鱼扒幽戍) 日期： bfi 6 i o 日期击痧“二阳 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华大学可以将本文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解密 后遵守此规定) 学位论文作者签名：1 汀各 日期：2 - 口j i 、6 i d 指导教师签名：屈渣以( 垒仁孳吣指导教师签名：胖叭( t 卜。# 弋) 日期渺f f 占tf d 西华大学硕士学位论文 摘要 堆焊技术是解决机械零件磨损失效的一个高效且经济的方法，堆焊熔敷金属耐磨性 能的好坏取决于堆焊工艺合理与否。研究堆焊工艺对耐磨性能的影响规律以及通过预测 堆焊耐磨性能来优化堆焊工艺具有很好的科学意义及工程价值。目前研究堆焊熔敷金属 耐磨性能最常用的方法是磨损试验检测法和数值仿真方法，其中磨损试验法试样加工困 难、成本较高且试验周期长，而数值仿真方法快速、经济但模型建立难度较大且计算结 果精度不高。近年来发展起来的有限单元法原理及其数值计算方法基于连续模型离散化 的思想被国内外诸多学者采纳用于研究材料磨损问题，特别是在结合大型商用c a e 软 件后，以其直观的建模方式、快速求解手段及其强大的前后处理而著称，但有限元模型 计算结果往往与磨损试验结果数据存在较大误差，仅能预测材料磨损趋势。 本文采用焊条电弧焊工艺，选择厚度为1 6 m m 的4 5 # 钢板作为基体，在不同的焊接 工艺下堆焊d 1 7 2 焊条，通过光学显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 以及x 射线衍射 分析( x r d ) 研究了堆焊熔敷金属的显微组织及构成，并测试其显微硬度。制备堆焊熔 敷金属滑动磨损试样，选用m 2 0 0 0 型磨损试验机进行磨损实验，对比不同的载荷、滑 动距离条件下熔敷金属的耐磨性能。经扫描电子显微镜( s e m ) 对磨痕形貌进行分析， 研究熔敷金属在干摩擦条件下的磨抛l 制。基于a n s y s l s d y n a 显示动力平台对磨 损过程进行模拟，对磨损量变化情况进行预测。 、磨损试验结果表明：随着焊接电流的增大，堆焊层中马氏体的数量减少，残余奥氏 体及析出碳化物数量增加，分布更均匀，堆焊层的显微硬度值降低；随着堆焊层数的增 加，母材的稀释作用减小，堆焊层的耐磨性能越接近堆焊材料的耐磨性能。通过正交试 验分析可知：焊接电流对磨损量的影响最大，其次是滑动距离、载荷、焊接层数的影响。 在低应力低转速状态下，磨损量随焊接电流、外载荷以及滑动距离的增加丽增加，随堆 焊层数的增加而减小。经磨痕形貌分析，堆焊熔敷金属在滑动摩擦过程中的磨损主要为 粘着磨损、磨粒磨损以及氧化磨损综合作用的结果。基于a n s y s l s d y n a 显式动力 磨损有限元模型，实现了环块的滑动接触磨损过程仿真。计算结果表明：磨损量与磨 损时间成正比；随着载荷的增加，在相同时间内磨损量也相应地增加，在曲线上表现为 斜率增加，即磨损率( d m d t ) 增加，与实际磨损试验结果基本吻合，但有限元方法在定量 分析磨损量变化方面存在一定的误差，有待进一步深入研究。 关键词：堆焊；熔敷金属；耐磨性能；磨损模拟 4 5 钢基体上d 1 7 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 a b s t r a c t s u r f a c i n gt e c h n o l o g yi s a l le f 矗c i e n ta n de c o n o m i c a lm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e m so f m e e h a n i t a lp a r t sw e a rf a i l u r e ，w h i l et h ew e a l r e s i s t a n c eo fd e p o s i t e dm e t a ld e p e n d so nt h e s u r f a c i n gp r o c e s s t os t u d yh o wt h ev a r i a t i o no fw e l d i n gp r o c e s sa f f e c t st h ew e a rr e s i s t a n c e a n dt o o p t i m i z et h es u r f a c i n gp r o c e s sb yp r e d i c t i n gw e a rr e s i s t a n c ea r es i g n i f i c a n ta n d v a l u a b l ei nb o t hs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g t h em o s t p o p u l a ra p p r o a c h e st o i n v e s t i g a t e w e a rr e s i s t a n c ea r ew e a rt e s tm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d c o m p a r i n gw i t ht h ew e a rt e s ts p e c i m e nm e t h o d , b yw h i c ht h es a m p l ei sd i f f i c u l tt o m a n u f a c t u r i n ga n dt h ec o s ti st o oh i g h , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sr a p i da n d e c o n o m i c a l ，w h e r e a st h en u m e r i c a lm o d e l i sh a r dt oe s t a b l i s ha n dt 1 1 ec a l c u l a t i o na c c u r a c yi s l o wr e l a t i v e l y r e c e n t l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d 烈s m ) b a s e do nt h et h e o r yo fd i s c r e t i z a t i o no ft h ec o n t i n u o u sm o d e la r ea d o p t e dt or e s e a r c h t h em a t e r i a lw e a rb ym a n ys c h o l a r sb o t hd o m e s t i c a l l ya n de x o t i c e s p e c i a l l yw h e nc o m b i n e d w i t h 1 a r g ec o m m e r c i a lc a es o f t w a r e ，t h e s em e t h o d sa r ef a m o u sf o rt h e i ri n t u i t i v e c o n s t r u c t i o nm o d e ，s w i f ta n dp o w e r f u lm e a n sf o rp r e p p o s ts o l v e r h o w e v e r , t h ec a l c u l a t i n g r e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，w h i c hc a n o n l yp r e d i c tt h ew e a rt r e n d ，a r ed e v i a t i n gf r o m w e a rt e s td a t a i n t h i st h e s i s ，dl7 2e l e c t r o d ew a sd e p o s i t e do nt h e4 5s t e e lw i t ht h et h i c k n e s so f16 m m b ys h i e l dm e t a la r cw e l d i n g ( s m a w ) u n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s s t h em i c r o s t r u c t u r e a n dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ed e p o s i tm e t a lw e r ea n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ， s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n dt h em i c r o h a r d n e s sw a s m e a s u r e da sw e l l t h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h ed e p o s i tm e t a lw a st e s t e do nt h ew e a rt e s t e r m - 2 0 0 0o nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tl o a d sa n ds l i d i n gd i s t a n c e t h ew e a rm e c h a n i s mw a s s t u d i e db ya n a l y z i n gt h ea p p e a r a n c eo fw e a rs c a r s i na d d i t i o n ，t h ef e m c a l c u l a t i n gp l a t f o r m a n s y s l s d y n aw a su s e dt os i m u l a t et h ew e a r p r o c e s sa n dp r e d i c tw e a r t h ew e a rt e s t sr e s u l t si n d i c a t et h a t ：w i t ht h ei n c r e a s eo f w e l d i n gc u r r e n t t h en u m b e ro f m a r t e n s i t ew e r eb e c o m i n gl e s s t h er e s i d u a la u s t e n i t ea n dt h ec a r b i d ep r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e d , a n db e t t e r d i s t r i b u t i o ni nw e l d i n gl a y e r ，t h em i c r o h a r d n e s sv a l u e sd e c r e a s e d t h em o r e s u r f a c i n gl a y e r sa r e ，t h el o w e rd i l u t i o ne f f e c to ft h eb a s em e t a li s a n dt h ew e a rr e s i s t a n c eo f o v e r l a ys u r f a c i n gm a t e r i a l sw a si n c r e a s i n g l yc l o s et ot h a to fd e p o s i t e dm e t a l i tc a nb e c o n c l u d eb ya n a l y z i n gt h er e s u l t so fo r t h o g o n a lt e s tt h a t ：w e l d i n gc u r r e n t ，f o l l o w e db y s l i d i n g d i s t a n c e ，l o a da n dl a y e r so fw e l d i n gs u c c e s s i v e l y ，i st h em o s tc r u c i a la f f e c t i o nf a c t o rt ot h e w e a r - r e s i s t a n c e i nt h el o w s t r e s s a n d s p e e dm o d e t h ew e a rv o l u m ei n c r e a s e da sa r e s p o n dt o t h ei n c r e a s eo ft h ew e l d i n gc u r r e n t ，t h ee x t e r n a ll o a da n dt h es l i d i n gd i s t a n c e ，t o o c o n t r a r i l y ， i j 西华大学硕士学位论文 、加t ht h es u r f a c i n gl a y e r si n c r e a s e t h ew e a rv o l u m er e d u c e d i tc a nb es u m m a r i z e df r o mt h e m o r p h o l o g yo fw e a rs c a ra n a l y s i st h a t ：t h ew e a ro fd e p o s i t e dm e t a li nt h ep r o c e s so fs l i d i n g f r i c t i o ni sm a i n l yt h er e s u l t st h a tc o m b i n i n gw i t ht h ee f f e c t so fa d h e s i v ew e a r ，a b r a s i v ew e a r a n do x i d a t i o nw e a r a ne x p l i c i td y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lb a s ；e do nt h ec a l c u l a t i o n p l a t f o r mo fa n s y s l s d y n aw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h es l i d i n gc o n t a c tw e a rr i n g b l o c k t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d t h ew e a rv o l u m ei n c r e a s e d i nt h es a m et i m ec o r r e s p o n d i n g l y i ta l s oc a nb eo b s e r v e df r o mt h ew e a rl o s sc u r v e st h a tt h e w e a rr a t e ( d m d t ) i n c r e a s e d ，w h i c hi se q u i v a l e n tt ot h er e s u l t so fw e a rt e s t sa p p r o x i m a t e l y h o w e v e r t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so ff e md e v i a t e df r o mt h ew e a rt e s tt os o m ee x t e n tw i t h r e s p e c tt ot h ea n a l y s i so fw e a rv o l u m ev a r i a t i o n ，w h i c hi sn e e d e df u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：s u r f a c i n g ；d e p o s i tm e t a l ；w e a rp r o p e r t y ；w e a rs i m u l a t i o n i i i 4 5 钢基体上d17 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1引言l 1 1 1 常用堆焊方法1 1 1 2 提高堆焊熔敷金属耐磨性的途径1 1 2 磨损概述2 1 2 1 磨损的一般过程与分类2 1 2 2 滑动摩擦系数的影响因素6 1 2 3 磨损的检测与评定6 1 2 4 磨损的研究模型7 1 3国内外研究现状和发展趋势9 13 1 国外研究现状10 1 3 2 国内研究现状一1 1 1 4 课题研究的内容及意义1 3 1 4 1 课题研究的主要内容13 1 4 2 课题研究的主要技术路线1 3 1 4 3 课题研究的意义1 4 2堆焊试验15 2 1 试验材料及方法1 5 2 1 1 试验设备15 2 1 2 焊接工艺15 2 2 堆焊焊缝金属组织17 2 3 本章小结18 3磨损试验1 9 3 1 磨损试样制备1 9 3 2 磨损试验设计2 0 3 3 磨损试验结果分析2 3 3 3 1 磨损量变化：2 3 3 3 2 摩擦系数变化分析2 8 3 3 3 磨痕形貌分析3 0 l v 西华大学硕士学位论文 3 4 本章小结3 3 4 基于a n s y s l s d y n a 显式动力学磨损研究3 5 4 1l s d y n a 显式动力学理论基础3 5 4 1 1l s d y n a 显式动力算法3 5 4 1 2l s d y n a 摩擦接触3 6 4 1 3沙漏问题一3 8 4 1 4 侵蚀接触3 9 4 1 5 基于环块模型的l s d y n a 显示动力学分析方法3 9 4 2 前处理3 9 4 2 1 几何模型的简化3 9 4 2 2 单元类型的选择和材料参数设置一4 0 4 2 3 网格划分4 1 4 2 4 边界条件及初始条件4 2 4 3 习电解4 3 4 4 后处理及结果分析4 3 4 4 1 磨损质量变化情况4 4 4 4 2 等效应力变化情况4 4 4 5 有限元计算结果误差产生的原因4 7 4 6 本章小结4 7 5结j 沧4 8 参考文献j 4 9 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 2 致谢5 3 v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 机械零件的主要失效形式有磨损失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效等。据统计，损坏 的零件中约三分之二以上均由磨损造成川。在高度发达的现代化大生产中，连续化和自 动化给企业带来了很高的生产效率和极大的经济利益，而零件的磨损失效必然会造成生 产停工，因此高的耐磨性能可提高零件的使用寿命，延长服役时间，保证生产连续性及 安全性。通常提高零件耐磨性能可整体采用耐磨材料，或采用特殊手段提高零件表面耐 磨性能。若零件整体都使用耐磨材料有两大缺点：一是容易造成贵重金属的浪费，增加 生产成本；二是多数耐磨材料具有很高的硬度，塑性韧性较差，机械加工工艺性能差， 制造困难。为解决以上问题，堆焊耐磨材料技术应运而生。堆焊耐磨材料是将具有一定 耐磨性能的合金材料借助一定的热源手段熔敷在母体材料的表面，以赋予母材表面特殊 耐磨性能的工艺过程。由于堆焊只在零件表面进行，基体可以选用加工工艺性能较好且 经济的材料，在保证使用性能的同时降低生产成本。鉴于堆焊技术的优点，在冶金机械、 农业机械、矿山机械、交通运输石、油化工机械、原子能工程、航天工业等部门的耐磨 零件制造和磨损失效修复中得到广泛的应用【2 】。 1 1 1 常用堆焊方法 目前国内外常于耐磨材料的堆焊方法有：手工电弧堆焊、等离子堆焊、埋弧堆焊、 电渣堆焊、熔化极惰性气体保护堆焊、氧乙炔火焰堆焊等。选择堆焊方法时应综合考虑 以下几个方面的因素： ( 1 ) 堆焊稀释率。尽量降低稀释率，获得具有理想使用性能的表面堆焊层。 ( 2 ) 熔敷效率。提高熔敷效率可以提高生产效率。 ( 2 ) 现有焊接设备、工装、堆焊位置及焊接技术水平。 ( 3 ) 堆焊工件的尺寸、形状复杂程度和是否批量生产。 ( 4 ) 生产成本。对于小件堆焊，最常用的方法是手工焊条电弧焊：对于几何形状 比较简单且规则的大型、重复性工件，比较经济的方法一般选用自动焊，可为明弧焊或 埋弧自动焊。 1 1 2 提高堆焊熔敷金属耐磨性的途径 随着生产技术的发展，对零件的耐磨性能要求也不断提高。目前，提高堆焊熔敷金 属耐磨性的途径有以下几种： 4 5 钢基体上d 17 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 ( 1 ) 提高现有耐磨堆焊材料的焊接性能； ( 2 ) 研发新的耐磨堆焊材料； ( 3 ) 不断改善和优化现有耐磨堆焊材料的堆焊工艺。 1 2 磨损概述 相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位 移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称为磨损【3 j 。磨损是各类机 械零件主要失效方式之一，是一个复杂的微观破坏过程，单位时间内的磨损程度反映了 零件耐磨性能的优劣。通常，零件在发生磨损失效前具有一定预兆，但也存在某些特殊 磨损失效，在其发生之前并无明显的预兆，有可能被人为忽略而引起突发事故。开发带 有摩擦副零件的产品之前，若能提前计算或预测零件的磨损状况，即可优化摩擦副性能， 延长零件服役时间，减少维修费用以降低生产成本。 研究磨损的最终目的是通过对各种磨损现象的观察和分析，找出磨损影响因素及其 影响规律，从而寻求控制磨损和提高耐磨性的措施。一般地，磨损研究的主要内容有【4 j ： ( 1 ) 磨损发生的条件、特征及变化规律； ( 2 ) 磨损的影响因素，包括组成摩擦副的材料、润滑状况、表面形态、环境条件、 滑动速度、载荷、工作温度等； ( 3 ) 研究提高耐磨性的措施； ( 4 ) 建立磨损的数学模型和计算磨损； ( 5 ) 研究磨损的测试技术和实验分析方法。 1 2 1磨损的一般过程与分类 在正常工作状态下，磨损可分为跑合( 磨合) 、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段： 跑合阶段磨损比较轻微，该阶段是为正常运行创造条件；稳定磨损阶段的磨损更轻微， 磨损率低而稳定；剧烈磨损阶段，磨损速度急剧增长，零件精度丧失，产生噪音和振动， 摩擦温度迅速升高，零件即将失效，一般的磨损过程曲线如图1 1 所示。 酬 船 摩擦行程( 时溷) 图1 1 磨损过程曲线 f i g 1 1w e a rc u r v e 西华大学硕士学位论文 磨损的分类方式很多，由于零件磨损是一个非常复杂的动态过程，每一起磨损的性 质机理可能不同，涉及到的接触表面粗糙状况、环境介质、相对运动特征、载荷特性、 温度高低等也有所不同，造成磨损分类上的交叉，难以统一。目前较通用的是按磨损机 理来划分，即将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、微动磨损，疲劳磨损和腐蚀 磨损。本文将对试验所涉及的几种磨损类型进行介绍。 1 2 1 1 磨粒磨损 磨粒磨损是指外界硬颗粒或摩擦表面硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的 现象，例如犁靶、球磨机衬板、挖土机铲齿等的磨损都属于磨粒磨损。磨粒磨损有二体 磨粒磨损和三体磨粒磨损，其中，二体磨粒磨损包括磨粒沿一个固体表面相对运动产生 的二体磨损和摩擦副中硬表面粗糙峰对软表面起磨粒作用的二体磨损( 也称低应力磨粒 磨损) ；三体磨粒磨损是指外界磨粒移动于两摩擦表面之间产生的磨损。磨粒磨损主要 有以下三种磨损机理【4 】： ( 1 ) 显微切削：在法向载荷作用下磨粒被迫压入摩擦表面，滑动时摩擦力通过磨 粒的犁沟作用使表面发生剪切、犁皱和切削，产生槽状沟痕； ( 2 ) 挤压剥落：磨粒压入摩擦表面产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞 片状的剥落碎屑： ( 3 ) 疲劳破坏：在磨粒产生的循环接触应力作用下，摩擦表面材料因疲劳而剥落。 常见的磨粒磨损定量分析方法是根据微观切削机理，假设磨粒形状相同，都为圆锥 体，其半角为0 ，压入深度为h ，则磨粒压入摩擦表面部分的投影面积4 为 a = 砌2 t 9 2 0 ( 1 1 ) 若形为单个磨粒承受的载荷，则有： w = 仃，a = 仃，砌：培2 p ( 1 2 ) 式中仃。为较软材料的受压屈服极限。当圆锥体磨粒滑动距离为s 时，被压入材料移去的 体积为v = s h ! t 9 2 0 ，单位位移产生的磨损体积用体积磨损度孚来表示，则磨粒磨损的 豳 体积磨损度为 坐：向：辔0 ：j l ( 1 3 ) d s 。 盯j r c t g o 因受压屈服极限仃。与硬度日有关，可得 尘：足里( 1 4 ) 一= 一 il j 4 5 钢基体上d 1 7 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 式中，k 为磨粒磨损常数，其决定因素有磨粒形状、硬度以及起切削作用的磨粒数量等。 表征材料抗磨粒磨损性能的主要参数是硬度，提高钢材硬度的方法主要有改善合金 成分、使钢材塑性变形产生冷作硬化以及对钢材进行热处理三种，同时磨粒的硬度、形 状、颗粒大小、强度、尖锐程度等因素也影响和制约着磨粒磨损程度，此外载荷对材料 的抗磨粒磨损性能的影响显著。 1 2 1 2 粘着磨损 粘着磨损是指当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切 断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面的现象【4 j 。磨损严 重程度可作为粘着磨损的分类依据，如表1 1 所示。 粘着磨损机理：由于摩擦表面的实际接触面积远小于表观面积，在载荷作用下，接 触峰点的表面压力可以达到很高值，产生瞬时高温，一旦脱离接触，峰点温度迅速下降， 此时摩擦表面的润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发生破裂，接触峰点进而产生粘着，随 后在滑动中粘着结点破坏，这样“粘着破坏粘着 交替进行构成粘着磨损。 表1 1 粘着磨损的分类5 1 t a b 1 1c l a s s i f i c a t i o no fa d h e s i v ew e a r 影响粘着磨损的因素主要有：载荷、表面温度、润滑条件以及材料性质等。 ( 1 ) 表面载荷 研究表明：当表面压力达到某一临界值，并经过一段时间之后才可能发生胶合。不 同材料的临界值不同。 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 表面温度 摩擦过程中摩擦热的产生会导致摩擦表面温度升高，在表面接触点附近形成一定的 温度场分布。表面温度特性对摩擦表面之间的相互作用和破坏影响较大，可导致润滑膜 失效，而温度梯度则会引起材料性质沿深度方向的变化。当表面温度达到某一临界值时， 摩擦系数急剧增加，磨损量也随之增加。表面压力和滑动速度是影响温度特性的主要因 素，后者的影响较大，在工程实际中可通过限制压力与速度的乘积值以减少粘着磨损和 防止发生胶合。 ( 3 ) 摩擦副材料性质 摩擦副材料的性质差异会造成材料抵抗粘着磨损能力的不同。 脆性材料和塑性材料的抗粘着磨损能力不同，前者高于后者。剥落是脆性材料粘结 点破坏的主要形式，其破坏深度较浅，且磨屑容易脱落，不在表面堆积；塑性流动是塑 性材料粘着结点破坏的主要形式，其发生在离表面一定的深度处，磨屑较大。根据强度 理论：塑性材料的破坏决定于剪切应力，脆性材料的破坏由正应力引起。从接触应力分 布可知作用在表面的正应力为表面接触中的正应力最大值，而最大剪切应力却出现在离 表面一定深度处，因此材料的塑性程度与粘着磨损程度成正比。 异性金属或互溶性小的材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力比相同金属或互溶性 大的材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高，而金属与非金属组成的摩擦副的抗粘着磨 损能力则更高。从组织结构上看，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。 此外，提高摩擦副的抗粘着磨损的能力的措施有【4 】：改善润滑条件，在润滑油或 润滑脂中加入极压或油性添加剂；选用热传导系数高的摩擦材料或采用强制冷却措施 降低表面温度；通过改善表面形貌以减小接触压力。 1 2 1 3 氧化磨损 在大气环境的磨损过程中，摩擦表面会生成一层氧化膜，避免了金属之间的直接接 触，因此，磨损过程即是氧化物的磨损。氧化磨损最简单的机理：氧化膜的形成和生长 达到一定厚度，将金属摩擦表面隔开，经过摩擦作用氧化层脱落，由于金属表面与氧化 性介质的反应速度很快，氧化膜从表面磨掉后，又很快形成新的氧化膜，如此周而复始， 磨损不断发生。环境温度越高，生成氧化膜的速度也越快【5 1 。 摩擦表面在高温下形成的氧化物对磨损表面具有一定的保护作用，能有效地防止粘 着磨损，降低磨损率，同时氧化层会发生疲劳开裂从磨损表面剥落，之后该区的金属将 继续氧化。剥落下来的氧化物一部分离开摩擦表面造成磨损，另部分氧化物则附在摩 擦表面被磨碎成颗粒碾压在剥落区内，这部分氧化物对摩擦表面仍有保护作用。在纯氧 4 5 钢基体上d 1 7 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 化磨损系统中，磨损率主要取决于剥离出摩擦系统的氧化物的数量【6 】。一般在空气中氧 化磨损速率较低，金属表面沿滑动方向产生均匀细小的磨痕和红褐色片状f e 2 0 3 磨屑， 或灰黑色丝状f e 3 0 4 磨屑。在摩擦条件下，氧或金属离子通过氧化层的扩散比静止状态 下容易进行，说明氧化速率比静止时高。 影响氧化磨损的因素主要有氧化膜连结强度和氧化速度。当氧化膜连结强度较高或 氧化速度高于磨损率时氧化磨损量较小。此外，施加润滑油可以减小表面氧化作用，提 高抗氧化磨损能力。 1 2 2 滑动摩擦系数的影响因素 摩擦分为滑动摩擦、滚动摩擦以及滚滑摩擦三种类型。本文研究的类型为滑动摩擦 磨损。滑动摩擦磨损随摩擦系数的变化而变化。摩擦系数是摩擦副的综合特性的体现， 滑动过程中主要受载荷、滑动速度与温度以及表面涂层等因素的影响，另外摩擦副材料 配对性质、静止接触时间、加载速度、摩擦副的刚度和弹性、摩擦表面接触几何特性以 及介质的化学作用等因素也会对滑动摩擦系数产生影响【5 】。 ( 1 ) 载荷 载荷变化会改变接触面积的大小和变形状态，从而改变摩擦力，进而实现对滑动摩 擦的影响。若金属表面呈塑性接触状态，摩擦系数厂与载荷无关，而金属表面在一般情 况下处于弹塑性接触状态，实际接触面积与载荷间呈现非线性关系，摩擦系数将随着载 荷的增加而降低。 ( 2 ) 滑动速度与温度 接触表面性质变化由滑动速度变化引起，如表面层发热、变形、化学变化和磨损等， 接触表面性质的变化会显著地影响摩擦系数 5 】。滑动速度影响摩擦系数主要取决于摩擦 表面的温度状况，试验结果表明：随着温度升高，摩擦系数增加，但当表面温度很高使 材料软化时，摩擦系数却会降低。 ( 3 ) 表面涂层 表面涂层的减摩作用与润滑膜的作用相似：涂层使摩擦副之间的原子结合力或离子 结合力被较弱的范德瓦尔斯力所代替，因而降低了表面分子力作用；涂层的机械强度低 于基体材料，滑动时剪切阻力较小，起到减摩效果【4 j 。 1 2 3 磨损的检测与评定 随着摩擦学的快速发展，摩擦磨损试验设备也得到了广泛的研制，不同的摩擦形式、 不同的试验环境使得设备种类多样化，与此同时，各种磨损检测方法也不断改善。 西华大学硕士学位论文 实验室设备主要用于摩擦磨损的基础性研究，主要包括研究工况参数( 外加载荷、 滑动、滚动速度等) 对摩擦磨损的影响。通过具体试验可以得到单一参数变化与摩擦磨 损过程之间的关系。些实验设备还可控制试验环境，如增加润滑条件( 润滑油、润滑 脂等) ，改变磨损试验周围气氛( 制造惰性气氛或抽真空、控制温度、湿度等) ，从而 为研究特定环境条件下的磨损规律创造了条件。 磨损试验的特殊性和设备的多样性，要求研究者选择合适的试验设备和试验条件、 摩擦形式( 滑动、滚动或滚滑混合摩擦) 、接触形式( 点接触、线接触或面接触) 以 及运动形式( 旋转运动、直线运动、单向或者往复运动) 。 摩擦磨损试验设备可检测摩擦过程中的摩擦系数及摩擦功，为研究磨损提供了可靠 的依据，摩擦过程中从表面上脱落下来的磨屑，记录了磨损的发展历程，反映了磨损机 理，描述了表面磨损的程度。发生磨损后的表面也有着磨损机理、磨损严重程度及其发 展过程的记载，因此研究磨屑和磨损后表面上的信息都是研究磨损的重要途径。 金属磨损的评定指标主要有三种：金属材料的磨损量、耐磨性和冲蚀磨损率。 ( 1 ) 磨损量 金属材料磨损量包括质量磨损量、长度磨损量和体积磨损量。质量磨损量和体积磨 损量是指磨损过程中由于磨损而造成的零件体积或质量的改变量；长度磨损量是指磨损 过程中，由于磨损而造成的零件表面尺寸的改变量。 ( 2 ) 耐磨性 材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力称为材料的耐磨性，可分为相对耐磨性和绝 对耐磨性两种。 ( 3 ) 冲蚀磨损率 冲蚀磨损率是指材料的冲蚀磨损量与所用的磨粒量的比值，应在稳态磨损过程中测 量，在冲蚀磨损中通常采用冲蚀磨损率来度量磨损。 磨损量、材料的耐磨性和冲蚀磨损率都是在具体试验条件下测量得到的，试验条件 不同时所得到的值不具可比性。本文通过质量磨损量来评定熔敷金属耐磨性能的好坏。 1 2 4 磨损的研究模型 1 6 9 9 年a m o n t o n 提出最简单的摩擦模型，该学者认为摩擦起源于表面粗糙度，滑 动摩擦过程中能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑性变形，尤其是硬粗糙峰嵌 入软材料表面后在滑动过程中形成的犁沟效应。在一般情况下，降低表面粗糙度可减小 摩擦系数。 1 9 2 9 年t o m l i n s o n 最先用表面分子作用解释摩擦现象，他提出分子间电荷力所产生 的能量损耗是摩擦的起因。 4 5 钢基体上d 1 7 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 1 9 4 5 年b o w d e n 和t a b o r 等人经过系统的实验研究建立了较完整的粘着摩擦理论， 其基本要点如下【5 】： ( 1 ) 摩擦表面处于塑性状态；假设接触点的应力值为摩擦副中软材料的屈服极限 仃。，而实际接触面积为彳，则接触点所受载荷为 w = a c t ， ( 1 5 ) ( 2 ) 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程； ( 3 ) 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和，即 f = t + e = a r 6 + s p 。 ( 1 6 ) 式中丁为剪切力，p e 为犁沟力，为粘着结点的剪切强度，s 为犁沟面积，p 。为单位面 积的犁沟力。对于金属摩擦副，通常p e o c t , 忽略犁沟效应。故粘着理论认为粘着效应 是产生摩擦力的主要原因，因此 尸：a f 6 ：一w ( 1 7 ) 仃5 式( 1 7 ) 的计算结果与实际测试结果有一定的差距。之后b o w d e n 等人又提出了修正粘 着理论，使结果更加切合于实际。 1 9 5 3 年，a r c h a r d 提出简单的粘着磨损计算模型，选取摩擦副之间的单个粘着结点 为以a 为半径的圆，每个粘着结点的接触面积为翮2 。假设接触表面处于塑性接触状态， 则每个粘着结点所受载荷为 w = 翮2 仃， ( 1 8 ) 其中仃。为软材料的受压屈服极限。 若粘着结点沿球面破坏，即迁移的磨屑为半球形，当滑动位移为2 口时的磨损体积 为兰n n 3 。故体积磨损度为 3 2， 一d v ：圣：旦 ( 1 9 ) 一= 一= 一 7 ， d s2 a3 c r s 由于并不是所有的粘结点都能形成半球形的磨屑，故而引入粘着磨损常数k ，且k 4 0 ，其堆焊层广泛应用于 抗金属间磨损的场合，例如各种齿轮、轴类零件的堆焊，在低应力磨粒磨损的场合也能 获得良好的使用效果，例如犁铧的堆焊等【5 3 1 。4 5 钢基体材料和d 1 7 2 焊条的化学成分如 表2 1 所示。 表2 14 5 钢及d 1 7 2 焊条的化学成分( 质量分数) m 1 t a b 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f4 5s t e e la n dd17 2w e l d i n ge l e c t r o d e ( w f ) 4 5 钢o 4 2 0 5 00 1 7 0 3 7o 5 0 o 8 0 一一 d 1 7 2 焊条0 5 0 一 一 2 5 02 5 0 2 1 1 试验设备 堆焊试验过程中所用的设备有：p e 2 0 4 0 0 手工电弧焊焊机、o l y m p u s t o k y o 型 金相显微镜、p 1 角向磨光机、h v s 一1 0 0 0 型显微硬度计、t 1 1 2 0 型红外测温仪( 量程为 一2 0 0 c 8 0 0 0 c ) 。 2 1 2 焊接工艺 堆焊前对4 5 钢板欲堆焊面及附近的铁锈、油污、水分等进行清理，防止堆焊过程 中产生气孔，堆焊件预热温度为2 5 0 0 c ，焊前需将焊条置于烘箱中经1 5 0 0 c 烘焙1 h ，保 温待用。在堆焊过程中采用单道多层焊接，控制焊接线能量，保证堆焊层厚度。为了使 堆焊层中的扩散氢有充足的时间逸出，避免延迟裂纹出现，可通过焊前预热处理延长焊 缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间。焊前预热还可延长堆焊金属从8 0 0 0 c 降到 5 0 0 0 c 的冷却时间，改善堆焊层金属以及热影响区金属的显微组织，使过渡区金属最高 硬度降低，内应力减小，从而提高堆焊层的抗裂性能【4 7 】。 4 5 钢基体上d 1 7 2 焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究 本文采用焊条电弧堆焊工艺，焊接电源极性为直流反接( d c i 冲) ，根据d 1 7 2 焊 条的参考