冲蚀磨损课件

沖蝕磨損

概述沖蝕磨損：是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進行衝擊所造成的磨損。沖蝕磨損可分為：分氣固沖蝕、流體沖蝕、液滴沖蝕及氣蝕（根據顆粒及其攜帶介質的不同）。沖蝕磨損現象在生產、生活中普遍存在。造成損失和危害嚴重，但也有應用其原理對機器零件表面進行清理和強化，如噴砂和噴丸等。國內外研究工作開展較多，本課程主要介紹氣體介質攜帶固體磨粒對材料表面的沖蝕磨損。§1沖蝕磨損理論影響較大的理論有：延性材料的切削磨損理論脆性材料的斷裂磨損理論變形磨損理論絕熱剪切與變形局部化磨損理論薄片剝落磨損理論一、延性材料的切削理論芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型FPα切削幾何模型切削過程中作用在磨粒上的接觸應力模型模型假設一顆多角形磨粒，品質為m，以一定速度v，沖角α衝擊到靶材的表面。理論分析的靶材的磨損體積：m----沖蝕磨粒的品質；v----磨粒的沖蝕速度V----靶材的磨損體積；P-----靶材的流動應力α-----磨粒的衝擊角；K-----常數磨粒如一把微型刀具，當它劃過靶材表面時，變把材料切除而產生磨損。公式表明：材料的磨損體積與磨粒的品質和速度的平方（即磨粒的動能）成正比，與靶材的流動應力成反比，與沖角α成函數關係。實驗研究表明：對於延性材料，多角形磨粒，小沖角的沖蝕磨損，切削模型非常適用；對於不很典型的延性材料（如一般的工程材料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨粒），沖角比較大（特別是沖角=90°）的沖蝕磨損偏差較大。二、脆性材料的切削理論脆性材料在磨料衝擊下幾乎不產生變形。芬尼等人根據赫茲應力分析，認為是在缺陷的地方產生裂紋裂紋不斷擴展而形成碎片剝落。當磨粒尺寸較大時，磨損量隨沖角的增加而增加。當沖角等於90°時，磨損量最大。模型謝爾登（Sheldon）和芬尼，1966，沖角為90°，脆性材料，沖蝕磨損，脆性材料的斷裂模型脆性材料（單位重量磨粒）沖蝕磨損量的運算式對球形磨粒：對多角形磨粒：對任一形狀磨粒：E為靶材的彈性模量δb為材料的彎曲強度r為磨粒的尺寸v0為磨粒的速度m為材料缺陷分佈常數實驗表明，幾種脆性材料的a和b實驗值與理論值基本一致（如玻璃、MgO、石墨等）其中埃文斯（Evans）研究：脆性材料的沖蝕磨損體積V決定於靶材和磨粒的性質，運算式與實驗吻合很好。沖蝕速度磨粒尺寸磨粒的密度靶材的斷裂韌性靶材的硬度三、變形磨損理論比特（Bitter），1963，提出：沖蝕磨損分為變形磨損與切削磨損；90°沖角下的沖蝕磨損是和粒子衝擊時靶材的變形有關。反復衝擊產生加工硬化，提高材料的彈性極限，直到應力超過材料的硬度，形成裂紋。從能量角度出發，推導出變形磨損量WD和切削磨損量WC；WD=M（Vsinα-K）2/2εWc=×(Vsinα-2MC(Vsinα-K)2×(Vsinα）1/2C(Vsinα-K)2(Vsinα)1/2Q)M2Q[V2cos2α-K1(Vsinα-K)3/2α＜α0Α＞α0W=WD+WCM為衝擊磨粒的品質V為磨粒的速度；α為衝擊角；ε為變形磨損係數；Q為切削磨損係數；α0為兩式相等時的角度；C、K、K1都為常數該理論設想正確，並得到證實。謝爾登和凱希爾，1972，第一臺單顆粒沖蝕磨損實驗機，2.5mm，SiC磨料、鋼球、玻璃球，直接觀察到磨痕形貌，衝擊坑邊緣的“擠出唇”，並很容易被後衝擊的磨粒打掉。四、絕熱剪切與變形局部化磨損理論哈青斯，1979，9.5mm，鋼球，270m/s，衝擊低碳鋼發現變形唇。在一個狹窄的帶狀區域變形非常嚴重。高速攝影機研究粒子衝擊過程，估算沖蝕時材料的應變率高達105~107s-1。高應變率導致很高溫升。首先是使變形過程絕熱化，其次是變形的局部化將形成絕熱剪切帶。哈青斯首先把絕熱剪切與變形局部化概念引入沖蝕磨損過程中。證明：鈦（哈青斯）、鋁（克裏帝曼）、銅（奎迪耳）、材料熔化現象（尤斯特和布朗）、20鋼（中國礦大）、火花現象、熔化的球狀磨屑現象（272頁照片）現在已經得到普遍承認，一些研究者並提出了相應的數學模型。五、薄片剝落磨損理論萊維及其同事使用分步沖蝕實驗法和單顆粒尋跡法研究沖蝕磨損的動態過程。發現不論大沖角（如90°）還是小沖角的沖蝕磨損，由於磨粒的不斷衝擊，使靶材表面材料不斷受到前推後擠，於是產生小的、薄的、高度變形的薄片。形成薄片的大應變出現在很薄的表面層中，該表面層由於絕熱剪切變形而被加熱到（或接近於）金屬的退火溫度，形成一個軟的表面層。在這個軟的表面層下麵，有一個由於材料塑性變形而產生的加工硬化區。這個硬的次表層一旦形成，將會對表面層薄片的形成起促進作用。在反復的衝擊和擠壓變形作用下，靶材表面形成的薄片將從材料表面上剝落下來。理論得到許多研究者的贊同和證實。是當前延性材料沖蝕磨損中一種比較有前途的磨損理論。一、磨粒的影響⒈磨粒硬度的影響一般認為沖蝕磨損量是磨粒硬度的函數§2影響沖蝕磨損的主要因素⒉磨粒形狀的影響尖角形的磨粒比圓球形磨粒在同樣條件下產生更大的沖蝕磨損；圓球形磨粒沖蝕時，靶材以犁溝變形為主，多角形的磨粒沖蝕則以切削為主；磨料形狀對產生最大磨損的沖角有影響；延性材料產生最大磨損的沖角約為16~30°；但是脆性材料的與磨粒形狀關係不大。⒊磨粒尺寸的影響磨粒尺寸很小時，對沖蝕磨損影響不大；隨著磨粒尺寸的增加，靶材的沖蝕磨損也增大，當尺寸增大到一定值時，磨損幾乎不在增加，這種現象稱為“尺寸效應”。磨粒存在的臨界尺寸。對於脆性材料，隨沖角的增加，沖蝕磨損也增大，當沖角為90°時，達到最大值。但當磨粒尺寸減小到一定程度時，其磨損曲線發生變化，具有延性材料的特徵。對於延性材料無上述特徵。⒋磨粒破碎的影響磨粒在衝擊靶材表面時，會產生大量碎片。這些碎片能除去磨粒在以前衝擊時在靶材表面形成的擠出唇或翻皮，增加靶材的磨損。由於碎片造成的磨損稱為二次磨損。磨粒未形成碎片時造成的磨損稱一次磨損。沖蝕磨損是一次磨損與二次磨損的總和。⒌磨粒嵌鑲的影響在沖蝕磨損初期，由於磨粒嵌鑲於靶材的表面，因此靶材的磨損量很小，甚至不是產生失重而是增重，即產生負磨損，該階段稱為“孕育期”。一段時間（或沖蝕了一定量的磨粒）之後，當靶材的磨損量大大超過嵌鑲量時，才變為正磨損。隨沖蝕磨粒數量的增加，靶材的磨損量也穩定增加，該階段稱為穩定（態）沖蝕期。延性材料，尤其是沖角為90°時，磨粒更容易嵌鑲於靶材的基體，使靶材表面的性能變壞。脆性材料，尤其是球形磨粒時，難以嵌鑲，影響小。二、沖蝕速度的影響因為沖蝕磨損量和磨粒的動能有直接關係，沖蝕速度的影響很大。∈=KvnK是常數，v是沖蝕速度，n是速度指數，一般情況n=2~3，延性材料波動小，n=2.3~2.4，脆性材料波動大，n=2.2~6.5；存在速度門檻值，低於該值不產生沖蝕磨損，只發生彈性變形，該值與磨粒大小相關。三、沖角的影響沖角是指磨粒與靶材表面間的傾角；延性材料的沖蝕磨損開始隨沖角增加而增大，當沖角為20~30°時，磨損量最大，之後隨沖角增加而減小。脆性材料則隨沖角增加，磨損量不斷增加，當沖角為90°時，磨損最大。沖角對靶材的沖蝕磨損機制影響很大。低角度沖蝕，磨損機制以微切削和犁溝為主。高角度沖蝕，延性材料起初為鑿坑和塑性擠出，多次衝擊反復變形和疲勞，引起斷裂與剝落。脆性材料在大尺寸磨粒和大衝擊能量的垂直衝擊下，以產生環行裂紋和脆性剝落為主，往往一次衝擊就能使材料流失；但小尺寸磨粒、衝擊能量較小時，則具有四、溫度的影響一些情況，隨著環境溫度的升高，沖蝕磨損加劇；某些材料高溫下，塑性提高，耐磨性也隨之提高，或者在高溫下，材料表面可能形成氧化膜，都會使沖蝕磨損量隨溫度升高而減小。五、靶材的影響⒈宏觀硬度的影響⒉加工硬化的影響⒊材料組織的影響幾種主要的固體粒子沖蝕磨損實驗裝置一、真空落下式實驗裝置二、離心式粒子加速實驗裝置三、真空旋臂式沖蝕磨損實驗裝置四、噴射式沖蝕磨損實驗裝置§3沖蝕磨損的實驗裝置液體介質攜帶固體粒子以一定的角度和速度對材料表面進行衝擊，使材料表面產生磨損的現象稱為漿體（液體—固體）沖蝕磨損。例如：泥漿泵中泥漿對泵體和葉輪的磨損。研究迄今尚不深入；一般認為沖速不高的漿體沖蝕磨損主要是由其中的固體磨粒造成的。但漿體中液相存在必然有一定影響。§4漿體沖蝕磨損與固體粒子沖蝕磨損的差異⒈沖