「材料磨损与耐磨材料(第3章磨粒磨损课件)（上课课件）」.ppt

第一篇材料磨损基础 Chapter1 材料的磨损Chapter2 固体表面结构与接触特性Chapter3 材料的磨损机理 1 Chapter3 材料的磨损机理 3 1粘着磨损 3 2磨粒磨损 3 3腐蚀磨损 3 4疲劳磨损 3 5冲蚀磨损 3 6微动磨损 2 3 2磨粒磨损 3 2 1磨粒磨损的概念 3 2 2磨粒磨损的分类 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 3 2 4磨粒磨损的影响因素 3 3 2 1磨粒磨损的概念 磨粒磨损是硬的磨 颗 粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中 使表面材料发生损耗的一种现象或过程 4 硬颗粒或凸出物一般为 非金属材料 如石英砂 矿石等 也可能是金属 如落入齿轮间的金属屑等 磨粒磨损几乎没有一种是单一磨损机理引起的 经常是多种磨损机制综合作用的结果 而且随着磨损条件的变化 可能从一种机制转化为另一种机制 5 磨粒磨损Abrasion AbrasiveWear 的2个层次 粗糙表面上的硬微凸体对相对较软的摩擦配副表面的划伤 材料的工作表面随硬质颗粒的压入和摩擦所造成的磨损 6 3 2磨粒磨损 3 2 1磨粒磨损的概念 3 2 2磨粒磨损的分类 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 3 2 4磨粒磨损的影响因素 7 3 2 2磨粒磨损的分类 磨粒磨损是一种常见的磨损形式 也是最重要的磨损类型 1 一般将磨粒磨损分为三大类 第一 低应力擦伤式磨粒磨损 如图1 3 20 8 低应力磨粒磨损 磨粒与材料表面间的作用力小于磨粒本身压溃强度时的力 磨损结果是在材料表面只发生微小的划痕 擦伤 既不使磨粒破碎又能使材料不断流失的磨损方式 宏观可见磨损表面比较光亮 高倍观察可见微细的磨沟或微坑一类磨损 典型零件如农机具的磨损 运输过程的溜槽 漏斗 料车等 9 3 2 2磨粒磨损的分类 第二 高应力磨粒磨损也称碎式磨粒磨损 如下图所示 当磨粒与材料之间接触压应力大于磨粒的压溃强度时 韧性材料产生塑性变形或疲劳 脆性材料则发生碎裂或剥落 磨损的磨粒在压碎前 几乎没有滚动和切削 对被磨表面的主要作用由接触处集中压应力造成 10 对塑性材料 就像打硬度一样 磨粒使材料表面发生塑性变形 许许多多 压头 对材料表面作用 使之发生不定向流动 最后由疲劳而破坏 对于脆硬材料 几乎不发生塑性流动 磨损主要是脆性破裂的结果 典型零件是滚式破碎机中的辊轮等 见右图 11 3 2 2磨粒磨损的分类 第三 凿削式磨粒磨损 如图所示 凿削式磨损的产生主要由于磨粒中的磨粒包含大块磨粒 而且具有尖锐棱角 对材料表面进行高应力和伴随冲击作用 使材料表面撕裂出很大的颗粒或碎块 被磨材料表面形成较深的犁沟或深坑 经常在运输或破碎大块磨粒时发生 12 请根据宏观图片辨别磨粒磨损的种类 并说明理由 1 2 3 4 5 6 13 3 2 2磨粒磨损的分类 2 根据使用条件 还有如下分类 冲击磨粒磨损 磨粒 通常是块状 垂直或以一定的倾角落在材料表面上 其情况与冲蚀磨损相似 但局部应力要高得多 冲蚀磨粒磨损 材料同含有固体颗粒的液体作相对运动 在表面造成的损耗 气蚀 冲蚀磨粒磨损 固体同液体作相对运动 在气泡破裂区产生高压或高温而引起的磨损 并伴有流体与磨粒的冲蚀作用 腐蚀磨粒磨损 同环境条件发生化学或电化学反应 而磨损是材料损失的主要原因 14 请根据宏观图片 结合工况 辨别磨粒磨损的种类 并说明理由 叶轮 密封环 15 3 2 2磨粒磨损的分类 3 根据接触条件两体磨粒磨损 颗粒直接作用于材料表面三体磨粒磨损 颗粒处于两个被磨材料表面间 16 3 2 2磨粒磨损的分类 5 根据相对硬度软磨粒磨粒磨损 Hm Ha 0 8硬磨粒磨粒磨损 Hm Ha 0 8a 磨粒m 材料 6 根据表面损伤形貌擦伤型磨粒磨损刮伤型磨粒磨损研磨型磨粒磨损凿削型磨粒磨损犁皱型磨粒磨损微观裂纹型磨粒磨损 7 根据磨损机理塑性变形磨粒磨损断裂磨粒磨损 17 3 2磨粒磨损 3 2 1磨粒磨损的概念 3 2 2磨粒磨损的分类 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 3 2 4磨粒磨损的影响因素 18 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 1 磨粒磨损的简化模型 Rabinowicz 拉宾诺维奇 在1966年提出磨粒磨损简化模型 如下图所示 并导出定量计算公式 模型计算的3个假设 材料不发生塑性变形 刚体 硬质磨粒简化为圆锥体磨损过程为简单滑动 V 磨损体积r 磨粒圆锥体半径x 磨粒压入材料内深度l L 滑动距离 19 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 因为磨粒压入金属材料内的深度 取决于压力的大小和材料硬度的比值 所以 磨粒圆锥体夹角P 法向载荷 H 金属材料的硬度 设屈服极限与硬度相等 则 20 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 令 21 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 Rabinowicz 拉宾诺维奇 模型物理意义 在一定磨粒条件下 单位距离内磨损体积与施加载荷成正比 而与材料的硬度成反比 它与阿查德方程相似 即磨损量与载荷和滑动距离成正比 而与被磨材料的硬度成反比 局限性 则 22 不是单个 而是多个磨粒共同作用材料发生塑性变形磨损过程中常常会伴随有冲击的作用 磨损环境的影响 温度 湿度 腐蚀介质等 局限性 实际情况是 23 磨粒磨损是硬的磨 颗 粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中 使表面材料发生损耗的一种现象或过程 2 磨粒磨损的机理 磨粒磨损机理是指零件表面材料和磨粒发生摩擦接触后 材料是如何磨损的 即材料的磨屑是如何从表面脱落下来的 迄今为止未完全清楚 存在一些争论 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 24 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 第一 微观切削磨损机理磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力 法向力使磨粒压入表面 切向力使磨粒向前推进 当磨粒形状与运动方向适当时 磨粒如同刀具一样 在表面进行切削形成切屑 但这种切削的宽度和深度都很小 因此切屑也很小 称为微观切削 25 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 在显微镜下观察 这些微观切屑仍具有机床上切屑的特点 即一面较光滑 另一面则有滑动的台阶 有些还发生卷曲现象 微观切削 26 27 微观切削磨损是常见的一种磨损 特别是在固定磨粒磨损和凿削式磨损中 它是材料表面磨损的主要机理 是否经常发生呢 28 在某些条件下 切削磨损占整个磨损的比例很大 但通常磨粒和表面接触时发生切削磨损的概率不大 其原因是 磨粒形状较圆钝 在犁沟过程中磨粒的棱角不是棱边对着运动方向 磨粒和被磨材料表面之间的夹角 迎角 太小 表面材料塑性很高 29 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 在这些情况下 磨粒在表面滑过后 往往只能犁出一条沟来 而把材料推向两边和前面 不能切出切屑 特别是松散的磨粒 大致有90 磨粒发生滚动接触 只能压出印痕 而形成犁沟的概率只有10 这样切削的可能性更小 还有另一种情况 如冲击角较大的冲蚀磨损 常在表面形成压坑和在压坑周围被挤压出唇状凸缘 只能使表面发生塑性变形 而切削的分量更少 因此微观切削是一种常见的 但概率较小的磨损机理 是否有一种其他的磨损机制 30 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 第二 多次塑变磨损机理在磨粒磨损中 当磨粒滑过被磨材料表面时 除了切削外 大部分把材料推向两边或前缘 这些材料的塑性变形很大 但却没能脱离母体 在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形 犁沟时可能有一部分材料被切削形成切屑 一部分未被切削而在塑变后被推向两侧和前缘 若在犁沟时全部沟槽中的体积都被推向两侧和前缘而不产生切屑 则称为犁皱 犁沟或犁皱后堆积在两侧和前缘的材料以及沟槽中的材料 在受到随后的磨粒作用时 可能把已堆积的材料压平 也可能使已变形的沟底材料再一次犁皱变形 如此反复塑变 导致材料产生加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑 31 犁皱 32 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 当磨粒的硬度超过零件表面材料的硬度时 在冲击力的作用下 磨粒压入材料表面 使材料发生塑性流动 形成凹坑及其周围的凸缘 当第二颗磨粒再压入凹坑及其周围的凸缘时 又重复发生塑性流动 如此反复塑性变形和加工硬化 使材料逐渐硬化而脆性剥落成为切屑 分析这种磨损机理可知 材料多次塑性变形引起了材料晶格畸变 畸变力达到了材料不破坏其间的联系则无法再改变其形状的极限状态 即材料不能再继续变形和吸收能量 有些截面 当外力不变时 由于应力增长 集中 而逐渐丧失塑性并转变为脆性状态 在冲击力作用下裂断成磨屑 33 多次塑变磨损机理是否适合所有材料呢 在大量的观察发现 一些脆性材料不适合塑性变形磨损机理的解释 第三类磨损机制 34 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 微观犁沟 第三 微观断裂磨损机理磨损时由于磨粒压入被磨材料表面 大多数材料都会发生塑性变形 但有些材料尤其是脆性材料 可能是断裂机理占主要地位 当断裂发生时 压痕周围的材料被磨损剥落 因此磨损比塑性材料大 脆性材料的压痕断裂 其外部条件决定于载荷大小 磨粒的形状和尺寸以及周围环境等 其内部条件主要决定于材料的硬度和断裂韧性等 35 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 在磨损试验中 若用球形压头 在弹性接触下伸向材料内部的裂纹往往形成断裂 若用小曲率半径的压头 常会变成弹 塑性变形 如果压头尖锐 则压痕未达到临界尺寸前不会发生断裂 临界尺寸随着材料硬度的降低和断裂韧性的提高而增大 这些静态压痕现象也定性地适合于滑动情况 对多晶体脆性材料 即使压痕尺寸小于临界尺寸 也会发生次表面断裂 对脆性材料 压痕带有明显的表面裂纹 压痕附近还有横向裂纹 径向裂纹 断裂韧性低的材料裂纹较长 对磨粒磨损 当横向裂纹 径向裂纹互相交叉或扩散到表面时 造成微观断裂机理的材料磨损 36 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 脆性材料的体积磨损决定于断裂机理 微观切削机理和塑性变形机理所产生的磨损 材料磨损的各机理的平衡 取决于平均压痕深度和产生断裂的临界压痕深度 尖锐的压头在压入材料表面时 弹塑性压入深度随着载荷增大而逐渐增加 在达到临界压痕深度时 因压入而产生的拉伸应力使裂纹萌生并围绕压入的塑性区扩展 断裂形成磨屑 微观断裂 37 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 磨粒磨损表面形貌特征 软金属被硬磨粒磨损 明显塑性变形犁削作用 沟槽金属塑性挤压 隆起磨屑呈多皱折叠的块状塑性好的材料的磨屑 塑性变形撕裂特征仅6 13 的磨粒起显微切削作用 大多数使材料表面发生塑性损伤 加工硬化 最终产生微裂纹 导致显微剥落 38 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 硬金属 耐磨材料 被硬磨粒磨损 合金中硬化相 如碳化物 有效阻止显微切削和塑性变形 磨痕可见沟痕 相对较软的基体存在 选择 性磨损 出现硬相凸出现象 产生 浮雕 形貌 存在硬质相断裂的解理面 39 3 2磨粒磨损 3 2 1磨粒磨损的概念 3 2 2磨粒磨损的分类 3 2 3磨粒磨损基本模型与原理 3 2 4磨粒磨损的影响因素 40 3 2 4磨粒磨损的影响因素 1 硬度的概念磨粒磨损过程是一个多种因素综合作用过程 从磨损与硬度的关系分析 既要了解磨损类型 又要了解硬度的物理本质 硬度分为如下几种 第一 材料磨前的整体硬度 第二 表面加工硬化而改变了的表面硬度 第三 如果摩擦热足够大 表面温度升高 应考虑高温硬度等 41 3 2 4磨粒磨损的影响因素 硬度和强度之间具有一定关系 般说强度越高 硬度也越高 见下图1 3 24所示 42 3 2 4磨粒磨损的影响因素 2 磨粒磨损与硬度从磨粒磨损方程分析 若系数为常数 则磨粒磨损时 磨损率与加载成正比 与材料硬度成反比 但在一些试验中发现系数K不是常数 而与磨粒中的磨粒硬度Ha 同被磨材料硬度Hm的相对大小有关 一般分为三个区 第一 低磨损区 在1 25Ha Hm的范围内 系数K Hm 6第二 过渡磨损区 在0 8Ha Hm 1 25Ha的范围内 系数K Hm 2 5第三 高磨损区 在Hm 0 8Ha的范围内 系数K基本保持恒定 不难看出 磨粒磨损不仅决定于材料的硬度Hm 而且更主要的是决定于材料硬度Hm和磨粒的硬度Ha比值 当Hm Ha比值超过一定值后 磨损量会迅速降低 43 3 2 4磨粒磨损的影响因素 3 磨粒特性的影响磨粒尺寸 磨粒磨损过程中 磨粒的尺寸对耐磨性的影响 存在一个临界尺寸 磨粒尺寸临界尺寸时 磨损增大的幅度明显降低 不同材料直线斜率不同 临界尺寸也有不同 不同材料磨粒尺寸对磨损率的影响 临界尺寸 44 3 2 4磨粒磨损的影响因素 磨粒形状 对耐磨性有较大影响 磨粒根据几何形状分为3类 尖锐型 多角型和圆型 45 3 2 4磨粒磨损的影响因素 4 显微组织的影响 显微组织尺寸磨粒压入深度 显微组织中单独相及组元的重要性格外突出 46 3