二体磨损与三体磨损的关系

二体磨损与三体磨损的关系

自1966年提交了著名的研究报告以来，摩擦和磨损的研究逐渐引起了国家政府及其相关研究机构的重视。根据欧洲经合组织工程材料磨损研究小组给出的定义:磨损就是由于表面相对运动使物体表面的材料逐渐损失的过程。应该说工程领域里的磨损现象是非常普遍的。按照BURWELL的分类,磨损一般可以分为磨料磨损,粘着磨损,疲劳磨损和腐蚀磨损等。这里,尤以磨料磨损所造成的经济损失为最大。EYRETS曾对各类磨损所造成损失作出了估算,其中磨料磨损占50%左右。所以,对磨料磨损的研究在整个摩擦学领域里是一个重要的课题。由于磨料磨损现象的复杂性,有不少的研究工作者试图把磨料磨损作进一步分类。目前,得到公认的(或者说是为多数研究工作者认同的)划分方法有2种:一种是按被磨损材料表面的应力大小来划分;另一种是根据第三体磨料的存在与否来划分,具体划分方法如下:磨料磨损{凿削式磨料磨损高应力辗碎式磨损低应力擦伤式磨损⎧⎩⎨⎪⎪凿削式磨料磨损高应力辗碎式磨损低应力擦伤式磨损磨料磨损{二体磨损三体磨损{二体磨损三体磨损这里有一点要提及的是:二体磨损是被研究的较深入的磨料磨损形式;而三体磨损在工程领域更普遍地被遇到,这是明显的一对矛盾。对二体磨损研究的深入要归于二体磨损的复杂性小于三体磨损,已有的磨料磨损的模型就是—个保证。可以说比较有影响的几个模型,如RABINOWIZS的切削模型,SADARARAJAN的临界应变模型,SUH的层剥理论和ZUMGAHR的犁沟模型等都是对二体磨损分析、研究的基础上提出的;而对三体磨损,至今仍缺少比较有影响的模型。其实,这里还有更深—层的问题,那就是二体磨损与三体磨损之间的关系问题。弄清这个问题不但对解释二体磨损与三体磨损的相同之处和不同之处有帮助,而且对三体磨损模型的建立更具有指导意义。本文的目的旨在揭示二体与三体磨损之间的关系,从而为三体磨损的模型建立提供理论依据。作为摩擦学上的概念,二体磨损和三体磨损的提出和系统分析与20世纪60~70年代风靡一时的工程学研究方法是分不开的。所谓系统分析就是把被研究对象及其环境当成一个系统,研究系统的输入与输出之间的对应关系。按照系统分析的方法,磨损系统中的被磨损材料通常被称为第一体,与其配副的材料称为第二体,第三体是指存在于第一体和第二体之间的磨料。根据上述的分析,二体磨损指的就是只有第一体和与其对磨的第二体的磨损;而三体磨损自然是指系统中三体都存在时的磨损。从表面上看,上述的定义已经是很清楚的了,其实不然。因为定义中并没有指出第三体的约束情况。正因为如此,就产生了2种截然不同的对三体磨损定义的解释。一种以为:第三体是可以自由运动的(也就是没有约束或约束很小),这样解释的话,在相同或相近的工况条件下,二体磨损比三体磨损要严重得多。因为低约束的第三体可以以最低的能量状态在2个磨面之间运动(或滚动或滑动),由其产生磨损应力较之二体磨损来说就小多了。另一种理解是:第三体是有约束的,是被卡在第一体和第二体之间的磨损。所以说三体磨损的强度要大于二体磨损。由于这2种解释的矛盾性,有不少的人,像GATESJD,对磨料磨损按二体、三体磨损划分提出了质疑。按照他们的建议,象二体磨损、三体磨损这样的划分方法不应该再用了。因为它会引起概念上的混乱。取而代之是根据材料在磨料磨损中的表现划分为:轻度磨损(mildabrasion)、重度磨损(severeabrasion)和极度磨损(extremeabrasion)。如在磨损率W与磨损L的关系曲线上来划分的话,Ⅰ区之间对应着轻度磨损;Ⅱ区之间对应着重度磨损;Ⅲ区之间对应着极度磨损,这种划分有一个明显的好处,就是它考虑了磨损中常见的磨损过渡现象(或称为磨损突变)。而磨损率的突然变化是与材料的磨损机制的变化有直接的关系的。其实,在20世纪70年代末就有人注意到二体与三体磨损之间的关系问题了,比较典型的研究工作是美国加州大学的MISRA和FINNIE作的。他们从材料的硬度、加工硬化指数、磨料的尺寸、载荷和热处理等几个方面研究了二体与三体磨损的异同点。不过,他们的工作总体上讲比较初步,即只注意到对磨损现象的罗列,没能从磨损的微观机制上给出解释,而且也没有把这些工作同三体磨损的模型建立联系起来。本文将对上述问题作出自己的阐述。1第二和第三磨损的起点1.1第二和第三磨损之间的差异1.1.1硬度与三体磨损的关系在所有与材料的抗磨损性相关的机械性能中,硬度是最早也是最深入地被研究的性能之一。几乎所有的磨料磨损模型都涉及到硬度这一性能。所以,本文首先讨论二体和三体磨损中硬度的影响。这里先看一下KRUSCHOV和RABIMOWICZ的经典工作,见图1、图2(见下页)。从图1、图2中可以看出,随着材料硬度的增加,不论是二体磨损还是三体磨损,其耐磨性是增加的。但如果仅从2人的工作就断定硬度对二体和三体磨损的影响是相同的就有些片面了。因为从PRASADN和ZUMGAHVKH等人的工作来看,对于三体磨损而言,硬度与耐磨性的关系远不是线性增加那样简单的,见图3、图4(见下页)。这种V型和S型的典线关系在三体磨损的工况中是比较典型的。产生这种不同于二体磨损的差异的原因可以用磨料磨损的微观机制来解释:二体磨损的机制主要是微切削,而三体则是塑变加切削的机制。我们知道随着硬度的增加,因切削引起的磨损量是趋向于减小的;而塑变磨损是随被磨材料的硬度增加而提高的(塑变磨损是以层剥机制来实现的,材料的硬度越高,因层剥而导致的磨损量就越大)。图5是根据方亮等人的工作而绘制的,图中的2条点划线Wc和Wd分别代表了切削磨损和塑变磨损,图中的峰形实线则代表了两者共同作用的结果。由于材料的耐磨性与其磨损量成反比,所以,三体磨损中材料的耐磨性与硬度之间就有了V型的关系曲线了。1.1.2磨损率随载荷的变化图6清楚地揭示了二体和三体磨损的磨损率随载荷变化的规律。对二体磨损而言,其磨损率与载荷呈线性关系,载荷越大,磨损率越高。对三体磨损而言,在低载荷范围内,磨损率随载荷的增加呈缓慢增长的趋势;随着载荷的进一步增加,磨损率逐渐达到线性增长。三体磨损的磨损率在低载荷区增长缓慢的原因可能是:在低载荷下,第三体磨料的约束近乎为零,磨料可以任意滚动,这样磨料对被磨材料发生微切削的几率就很低了。所以,三体磨损的磨损率在低载区内增长缓慢。而二体磨损中,由于磨料是固定的,只要磨料与磨面之间构成的攻角大于临界的切削攻角,磨料就产生微切削作用。这就解释了为什么在低载荷范围内,二体和三体磨损出现上述的差异。1.1.3第三体磨损时被磨粒的磨损机理从图7(见下页)来看,三体磨损实验存在一个比较明显的跑合期,而二体磨损的跑合期相比之下要短得多。三体磨损的跑合期长于二体磨损的原因是三体磨损的主要磨损机制为多次塑变(或微观压入)导致的变形层的疲劳断裂机制。因为被磨材料的表面在第三体磨粒的反复的滚压作用下会发生反复的塑变→加工硬化→脆性断裂的过程。当然发生这样的过程是要在一定的磨损长度L内才能完成的。具体表现在磨损图上就是需要一定的跑合期才能达到稳定的磨损速率。而二体磨损则不然。它主要是靠微机削机制面产生磨损,是不需要跑合期的。1.2差异的原因分析以上只对二体和三体磨损的差异作了讨论,并分析了产生这些差异的原因。其实,二体和三体磨损的共同之处要大于不同之处,即共性是主要的,差异次之。通过下面对共同性的讨论就可以看出这点来。1.2.1加工硬化。在现代社会,我国从图1中KRUSCHOV的开拓性工作可以看到,热处理是可以通过提高碳钢的硬度而提高其二体磨损的耐磨性的。再从图2中RABINOWICZ的工作也可以看到热处理同样对提高碳钢抗三体磨损的能力也是有效的。至于加工硬化,无论是对二体磨损还是三体磨损都不起作用。提高硬度对增加材料的微切削的抗力是有促进作用的。这就是为什么通过热处理提高碳钢的硬度后会提高碳钢的二体和三体磨损的抗力,那么,加工硬化后的硬度升高为什么不会产生预期的效果呢?这主要是因为在磨料磨损工况下,磨面塑变层的加工硬化是十分充分的,这就使得磨损前的加工硬化处理变得不重要了,换句话说,是材料经加工硬化后的硬度与其抗磨性有关,而不是材料在未加工硬化时的硬度与其抗磨性有关。所以有不少的学者建议磨料磨损模型中的硬度应该指的是材料磨面在磨损后的硬度。1.2.2被磨材料表面的严重塑变层厚度对磨损率的影响从图8中可以看到磨粒尺寸对二体和三体磨损磨损率的影响是相似的。即都存在一个临界尺寸Dc,在小于Dc时,随着粒径的增加,磨损率是迅速上升的,当超过Dc时,再增加粒径,对磨损率的影响已是十分微弱的。要解释磨粒尺寸对磨损率的影响,首先对磨损规律要有两点认识:①被磨材料表面的严重塑变层的厚度只与荷载大小P有关,而与粒径无关;②磨粒的压入深度是与其粒径成正比的。磨粒的粒径大,单位面积上的磨粒数量就小,而单个磨粒承受的载荷就大,压力深度也就大。反之亦然。对于一定的载荷,被磨材料的表面塑变层厚度是一定的。而小尺寸磨粒(指粒径小于临界尺寸Dc的磨粒)随着粒径的增加,其压入深度也是增加的,磨损率也随之增加。当超过Dc时,磨粒的压入深度超过了严重塑变层的厚度时,这时再继续增加粒径已对磨损率的提高作用不大了。1.2.3过渡型磨损机制从RICHARDSON等人所作的工作(图9)可以知道:材料的耐磨性不仅取决于材料的硬度,更主要的是取决于材料的硬度Hm与磨粒的硬度Ha的比值,当Hm/Ha超过1.3左右以后,磨损耗量是比较低的(一般称之为软磨料磨损),而当Hm/Ha低于0.8时,磨损量是比较高的(一般称之为硬磨料磨损),在这2个阈值之间的磨损称之过渡型磨损。在过渡型磨损范围内随着磨料的硬度增加,磨损率是急剧上升的。从图9中可以看到,二体和三体磨损都存在从软磨料磨损向硬磨料磨损的过渡现象。从磨损机制上讲,在软磨料磨损的条件下,低周疲劳磨损机制则占主要地位。此时,磨面的磨损率迅速下降。而在硬磨料磨损条件下,微切削和低周疲劳同时作用于磨面,磨损率自然就比较高了。2体磨损的响应分析前面在讨论二体和三体磨损异同点时,己对产生差异性和类同性的原因提出了微观机制上的解释。并且,前面已经提到过,所谓二体磨损指的就是当磨料完全或大部分被约束时的三体磨损,即二体磨损是三体磨损的特例,而三体磨损更具普遍性。二体磨损时滑动的磨粒可以引起磨面的切削磨损,也可以导致塑变磨损。在三体磨损时,滚动磨料(有一部分是时滚时滑)主要是引起磨面的塑性变形。根据LUDEMAKC的观点,金属发生了塑性变形的地方如再经历其他磨料的反复作用,就可能导致疲劳磨损。所以,如从磨料颗粒运动方式对金属磨损的影响,可以概括如下:磨料颗粒运动方式{滑动磨料(二体磨损)切削磨损滚动磨料(三体磨损)塑变磨损(可能导致疲劳磨损)磨料颗粒运动方式{滑动磨料(二体磨损)切削磨损滚动磨料(三体磨损)塑变磨损(可能导致疲劳磨损)二体与三体磨损的相似之处大于其不同之处。这从前面的分析中可以看出。也就是说基于二体磨损建立的磨料磨损模型无论从形式上还是从内容上与三体磨损的模型应该是比较接近的。设ωs塑是塑变部分引起的磨损,因为是多次塑变(或低周疲劳)导致的变形层的剥落,这样可以将其看成一种低周疲劳过程,于是有ωs塑=kdΡΗ(1)ωs塑=kdPH(1)这里kd是材料发生低周疲劳破坏的力循环次数的倒数,即kd=1n(nkd=1n(n的确定用MANSIAN-COFFIN公式,即n=(2cz)2)。至此,三体磨损的模型的公式表达可以是下面的形式ωs=ωs切+ωs塑=f1(ΚaΡ3Η)+f2(ΚdΡΗ)(2)式中:f1和f2就是磨粒的滑动几率Pc和滚动几率pr。上面有关模型的分析虽然有点简单化,但它对于解释二体和三体磨损的关系还是有所帮助的。将式(2)中的f1取1,而f2取0时,式(2)就变为二