中科大材料摩擦与磨损课件08磨料磨损

第八章

磨料磨损§1磨料磨损的定义与分类1.定义：一般是指硬的磨粒或凸出物在与机器零件表面相互接触过程，使表面材料发生损耗的一种现象或过程。磨粒或凸出物一般指非金属，如石英砂、矿岩等；也可能是金属磨屑。磨粒磨损机理目前尚不清楚。2.分类Ⅰ美国矿业系统，艾弗莱，矿山机械受力特点凿削式磨料磨损高应力研磨式磨料磨损低应力划伤式磨料磨损分类Ⅱ艾弗莱，1975，磨料磨损的性质纯流体冲蚀冲击冲蚀：指流体所带的固体颗粒对金属表面进行冲击。冲刷磨损：指平行流体的硬颗粒的低应力磨料磨损。切削式磨料磨损：高应力研磨磨料磨损凿削式磨料磨损冲刷腐蚀磨损分类Ⅲ磨料的固定状态自由磨料固定磨料分类Ⅳ磨损接触的物体表面两体磨料磨损三体磨料磨损还有许多不同的分类方法§2磨料磨损的简化模型拉宾诺维奇Rabinowicz,《材料的摩擦与磨损》；简化的磨料磨损模型迁移体积tSθ假定:单颗圆锥形磨粒在载荷ΔL作用下,压入较软材料中,并在切向力作用下,在表面滑动了ΔS距离,犁出一条沟槽。法向载荷被磨材料硬度压痕直径沟槽的截面积沟槽深度被迁移的沟槽体积磨粒的形状系数单位滑动距离材料的迁移：表明：单位滑动距离材料的迁移与磨沟的宽度平方或与磨沟的深度平方成正比假如把所有作用的磨粒相加，则磨损率为：各圆锥形磨粒tgθ的平均值简化的磨料磨损方程式表明：磨损量与载荷及滑动距离成正比；磨损量与磨损材料的硬度成反比。方程式与阿查德磨损方程基本相同；（阿查德磨损方程）根据阿查德磨损方程，磨料磨损系数Kabr为：简单的磨料磨损方程也可写作：1、三体磨料磨损系数要小于两体磨料磨损，三体磨料磨损过程中磨粒大约90%时间在滚动，故磨损较小（可能原因）；2、Kabr=0.96×tgθ，是理论值，只考虑磨粒的形状系数，并假设所有磨粒都参加切削，同时犁出的沟槽体积都成为磨屑；3、磨损过程影响因素很多，如载荷、硬度、运动情况、环境等，应用时应加以修正。补充说明：§3磨料磨损机理是指零件表面和磨料发生摩擦接触的磨损过程；亦指从表面产生和脱落磨屑的过程；磨料磨损机理迄今尚不十分清楚，存有争论；综述如下：一、微观切削磨损机理磨粒作用在零件表面的力，分法向力和切向力；法向力使磨粒压入表面，形成压痕；切向力使磨粒向前推进，如形状与位向适当时，磨粒对表面进行切削，形成切屑；切削的宽度和深度很小，故切屑也很小；微观观察表明：切屑具有机加工中切屑特征，即：长宽比较大，切屑一面较光滑，另一面具有滑动的台阶或卷曲现象。微观切削磨损是材料表面磨损的主要机理；磨料和表面接触时发生切削的概率不大；磨粒形状成圆钝时，或犁沟的过程中磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或磨粒和表面间夹角太小，或表面材料塑性很高时，磨粒沿表面滑过后只犁出一条沟，把材料推向两边或前面，不形成切屑；对于松散的自由磨粒，大约90%以上的磨粒，发生滚动，只能压出印痕；二、多次塑变导致断裂的磨损机理（犁皱或微观压入）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形变，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。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑，一部分则未被切削而形成塑变，被推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时，称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平;也可能使已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。磨屑呈块状或片状；显微观察可看到，经反复塑变和碾压后的层状折痕和表面上一些台阶、压坑及二次裂纹；材料多次塑性变形的磨损是因为多次变形引起材料晶格的残余畸变，同时达到材料不破坏其间联系而无法改变其形状的极限状态。即达到材料不可能在继续变形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面（当外力不变时）由于应力集中使之逐渐由塑性变为脆性状态。三、疲劳磨损机理疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用；疲劳是指重复应力循环引起的一种特殊破坏形式，其应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损是由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时，过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用。标准的疲劳过程常有潜伏期，在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。低周应变疲劳：材料在超过其弹性极限的周期性重复应力作用下产生的破坏现象。扩大了“疲劳”的含义。克拉盖尔斯基、维洛格拉洛夫、吉宁巴乌姆等关于疲劳磨损的研究论断存有异同。四、微观断裂（剥落）磨损机理

磨损时，磨粒的压入对于有些材料（特别是脆性材料）其断裂机理可能占支配地位；当断裂发生时，压痕四周外围的材料会被磨损剥落，即磨损系数Kabr大于1，磨损量也大。莫尔（Moore）磨损量公式单位面积上的磨损量单位面积上的载荷磨粒的平均直径材料的断裂韧度材料的硬度脆性材料的实际体积磨损决定于由断裂机理、微观切削和塑性变形机理所产生的综合磨损；各种机理的平衡，取决与平均压痕深度和产生断裂的临界压痕深度tc；临界压痕深度tc：指尖锐的压头在压入材料表面时，随载荷的增加弹塑性压入深度逐渐增加，达到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。劳恩（Lawn）等人提出：莫尔实验指出高的Kc/H值将趋于低磨损；有些机理及其细节需要进一步研究；磨料磨损过程中不只是一种机理而常有几种机理同时存在，以某种为主要，随外部、内部条件变化而相应变化。磨料一般是指天然矿物、岩石、泥沙；土壤和人工制作的一定尺寸的矿物，为粒状或无定形固体；大小从微米或亚微米到很大尺寸的矿岩；硬度从很软的石膏到很硬的金刚石；磨料的硬度是决定磨料磨损性关键的因素。§4磨料及其磨损性能一、磨料的形状尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损快；当载荷和硬度等条件相同时，磨损率决定于磨料与材料表面夹角的正切平均值；Θ越大，正切平均值越大，磨损率越大；二、迎角α指磨料和材料表面接触时和表面间的夹角。不同材料的临界迎角α0是不同的，在30°~90°之间变化；一般地说，摩擦系数增大，钢的硬度增大，都会使临界迎角减小，即容易产生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分布是不同的；迎角可根据磨损状态的概率统计计算，根据迎角分布的概率和临界迎角，可以计算出切屑形成的概率。三、磨粒大小材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒直径的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小。临界尺寸大致在80μm左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。四、磨粒的形状与大小的综合作用五、磨粒硬度一般磨料的硬度比材料表面高很多，但当磨料的硬度低于材料硬度时，也会发生磨损，但磨损量小；Hm/Ha≤0.5~0.8

为硬磨料磨损Hm/Ha≥0.5~0.8

为软磨料磨损六、磨料的其他性能七、磨料的磨损性一般是指磨料破坏零件或刀具的能力，与磨料本身特性及其与零件表面层接触应力的大小及方向有关。⒈矿物和岩石磨料磨损性的测定方法⒉各种矿物和岩石的磨料磨损性⒊已破损磨料的磨损性§5外部摩擦条件对磨料磨损的影响一、载荷二、滑动距离三、磨料和材料表面的相对速度四、热和温度五、腐蚀环境和水蒸汽

一、材料的成分二、材料的微观组织⒈基体组织⒉基体中的第二相①中间金属化合物的沉淀析出相②碳化物：软基体中、硬基体中⒊夹杂物⒋晶界⒌内缺口⒍各向异性§6材料的内部因素对磨料磨损的影响⒈硬度⒉断裂韧性⒊弹性模数⒋真实切断抗力⒌抗拉强度

三、材料的