材料磨损过程中产生的电位变化行为初探

1/7材料磨损过程中产生的电位变化行为初探摘要分别对调质、淬火状态的45钢、水韧处理及铸态的高锰钢进行了试验。结果表明与摩擦和材料表面塑性流变对应的低应力环境中试样电位随摩擦线速度增加而平稳上升，电位高低与材料组织、状态有关，而在与凿削和撕裂对应的高应力环境中该电位则呈锯齿状起伏。对此进行了理论解释。由此提出了一种动态研究磨损过程及机理的新方法。关键词磨损；表面电位；磨损试验0前言磨损是钢铁材料失效最主要的方式之一，世界各国都为材料磨损研究倾注了大量人力物力，磨损试验方法则是影响新型耐磨材料研制及磨损机理研究的重要因素。迄今为止，人们针对不同的磨损过程设计了各种不同的磨损试验方法，然而归纳起来都是通过测量摩擦负荷作用下，材料长度、面积、体积或质量的变化来反映材料的磨损量1。这些方法都存在一个共同的不足，即只能通过材料磨损前后的状态来描述材料的磨损情况，而不能动态反映材料在磨损过程中的状态变化行为。由于材料在摩擦磨损过程中其电位将发生改变，并且随材料组织状态不同、磨2/7料粒度不同、摩擦过程中的载荷不同、以及摩擦件之间的相对运动速度不同，材料上的电位都会产生相应的变化。因而通过采集材料磨损过程中的电位变化信息，则可能动态地描述材料的磨损过程，为磨损过程的研究提供一种更直接的手段。本文研究表明磨损过程中，试样上电位变化与材料的组织状况、磨料粒度、摩擦速度等因素有较强的关联性，能动态反映出材料被磨损时表面状态的变化。1试验方法及结果分别选择调质和淬火态的45钢、铸态及经水韧处理的高锰钢为试验材料，试样尺寸1020，磨损试验在ML10型磨损试验机上进行。试样上加载的砝码重量为500G，对磨材料分别选择32号、100号氧化铝砂布及320号、500号绿色碳化硅砂纸，试验中每次更换试样都相应地更换砂布，以保证试验条件的等同性。试验装置如图1，托架直径300MM，转速90转/分，试验过程中试样在砂布上往复运动，摩擦线速度连续变大或变小。图25分别是线速度由小增大时，上述4种材料的试样在不同砂布上磨损过程中电位的变化情况。讨论1摩擦磨损与材料电位固体表面受摩擦时能够起电是众所周知的事实，现代固体理论认为，由于表面态的形成固体表面具有较高的3/7电子密度2，3，在真空中固体表面电子能够向外侧延伸2A0的距离4。当表面受到摩擦或产生流变的急剧变形过程中，材料表面容易失去电子而产生正电位。此外，当表层原子在摩擦过程中被剥离时，由于表面电子密度较高因而表层剥离亦将使电位升高。这就导致了在低应力摩擦环境中以及摩擦磨损的结果主要使表面产生塑性流变的情况下，与周围绝缘的金属试样的电位升高，并且随摩擦速度增加电位增加。在大应力磨料磨损环境中，材料的磨损伴随着凿削，疲劳龟裂和撕裂，这时从基体脱离的磨屑尺寸已足够大可以认为是电中性的，磨屑的形成和剥离可能在很短的间内完成，因此这种磨屑的产生将会使电位产生起伏变化。于是，通过在磨损过程中采集试样电位变化的信息，就能根据电位变化的规律动态地了解和推测磨面发生的过程，为深入研究磨损机理提供一条新的途径。图1磨损装置示意图1托架；2砂布；3试样；4绝缘保持架；5运动臂；6毫伏计图调质状态45钢试样磨损过程中电位随摩擦线速度递增时的变化趋势号砂纸；号砂纸；C100号砂布；号砂布4/7图淬火状态45钢磨损过程中表面电位随摩擦线速度递增时的变化趋势号砂纸；号砂纸；C100号砂布；号砂布图水韧处理状态高锰钢磨损过程中表面电位随摩擦线速度递增时的变化趋势号砂纸；号砂纸；号砂布；号砂布图铸态高锰钢磨损过程中表面电位随摩擦线速度递增时的变化趋势号砂纸；号砂纸；号砂布；号砂布磨料粒度对电位的影响图25表明当用500号和320号砂纸作为对磨材料时，各试样的电位都趋于随摩擦速度增加而平稳上升，并且对同一试样随磨料粒度增加试样电位变化趋势相近但电位值降低。由于附着在上述砂纸上的磨料粒度分别为2050M，在试样与砂纸的接触面上有6030个接触点，试样与磨料的每个接触点上就只能分配到很低的应力，磨损过程中纯摩擦的成分相对较大，试样与磨料颗粒接触的局部也主要产生塑性流变，这时电位变化就表现得相对稳定，500号砂纸较320号砂纸而言在单位接触面上有更多的接触点，因而在磨损过程中显现出更高的电位值。100号和5/732号砂布上磨料粒度分别为160300M，试样表面与磨料仅有105个接触点，分配在试样表面每一接触区域的应力明显增大，试样表层被切削和撕裂形成相对较大磨屑的机率增加，由此造成试样电位的起伏变化。此外由于实际接触区域减小，表现出的电位值亦明显降低。上述结果表明材料磨损过程中磨面环境的变化能够较灵敏地通过试样上的电位变化得到及时反映。不同材质及状态材料磨损时的电位变化规律由图25可见当磨料粒度较细，磨损应力较低时，各试样的电位变化趋势相近，这就提示了此时各试样受磨损的机制相近，淬火态的45钢硬度高磨损率低，磨损中纯摩擦的因素更高，因而电位值高于其他各试样，并且这种趋势在与粒度最细的500号砂纸的磨损中表现最明显。随磨料粒度增加试样磨损中的电位值出现起伏，其中45钢在与100号、32号砂布的磨损中，随摩擦速度增加，电位值表现出下降趋势，调质态的45钢与3号砂布磨损中，电位出现较大幅度振荡，提示试样表面出现强烈形变和撕裂，而淬火态45钢在高速磨损中出现的电位迅速降低的趋势则提示了形成磨屑的脆性崩裂过程。与调质态和淬火态45钢明显不同的是水韧处理和铸态的高锰钢试样在与100号、32号砂布的磨损过程中，随摩擦速度增加试样电位都出现了总体上升的趋势，这可以与这种奥氏体材料良好的加工6/7硬化性能联系起来，反映了材料在较高应力磨损下磨屑形成前较持久的形变硬化过程，同时也反映了这种加工硬化能力需要在较高的应力环境中才有良好表现，这与通常使用这种材料的常识是十分吻合的。高锰钢在水韧处理状态较之铸态具有更均匀致密的组织，从对1号砂布的磨损结果看水韧处理的高锰钢试样保持了更平稳的电位上升趋势。所有这些都说明磨损中试样表现出的电位变化与材料组织状态有着紧密联系，并动态反映了材料磨损的微观过程。结论1钢铁材料磨损试验中可以产生能被检测到的电位变化信号，由此可动态研究材料的磨损过程及机理。2材料磨损过程中，试样产生的电位变化趋势随磨料粒度及所受应力水平的变化而变化，细粒度磨料低应力水平下电位随摩擦速度增加而平缓上升，粗颗粒磨料较高应力水平下电位变化出现起伏。3材料组织及状态的变化对磨损试样的电位变化有明显影响，对100号、32号砂布的磨损中，调质态和淬火态45钢出现电位起伏并随摩擦速度增加而呈下降趋势，同样情形下高锰钢试样电位则随摩擦速度增加而呈上升趋势，分别提示了各试样磨损中磨屑形成所对应的撕裂、脆性崩裂、及充分形变硬化后成屑等不同磨损机理。7/7参考文献1哈比希材料的磨损与硬度M北京机械工业出版社2,STRUCTUREOFSURFACESINTRODUCTIONANDTHEORETICALHONDAMEMORIALSERIESONMATERIALSSCIENCE,STRUCTUREANDPR