磨料磨損失效的微觀機制研究

磨料磨損失效的微觀機制研究

磨損失敗效應是設備和部件之間的三種主要失敗現(xiàn)象之一，包括斷裂、侵蝕和磨損失敗效果。通常磨損過程是一個漸進的過程,正常情況下磨損直接的結果也并非災難性的,因此,人們容易忽視對磨損失效重要性的認識。實際上,機械設備的磨損失效造成的經(jīng)濟損失是巨大的[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,15]。美國曾有統(tǒng)計,每年因磨損造成的經(jīng)濟損失占其國民生產(chǎn)總值的4%。2004年底由中國工程院和國家自然科學基金委共同組織的北京摩擦學科與工程前沿研討會的資料顯示,磨損損失了世界一次能源的三分之一,機電設備的70%損壞是由于各種形式的磨損而引起的;我國的GDP只占世界的4%,卻消耗了世界的30%以上的鋼材;我國每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失在1000億人民幣以上,僅磨料磨損每年就要消耗300多萬噸金屬耐磨材料?？梢姕p摩、抗磨工作具有節(jié)能節(jié)材、資源充分利用和保障安全的重要作用,越來越受到國內外的重視。因此,研究磨損失效的原因,制定抗磨對策、減少磨損耗材、提高機械設備和零件的安全壽命有很大的社會和經(jīng)濟效益。1料磨損引起的機械產(chǎn)品的性能磨損——由于機械作用造成物體表面材料逐漸損耗。磨損失效——由于材料磨損引起的機械產(chǎn)品喪失應有的功能。通常,按照磨損機理和磨損系統(tǒng)中材料與磨料、材料與材料之間的作用方式劃分,磨損的主要類型可分為磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等類型。1.1磨料磨損的影響由外部進入摩擦面間的硬顆?；蛲怀鑫镌谳^軟材料的表面上犁刨出很多溝紋,產(chǎn)生材料的遷移而造成的一種磨損現(xiàn)象稱為磨料磨損。影響這種磨損的主要因素:在多數(shù)情況下,材料的硬度越高,耐磨性越好;磨損量隨磨損磨粒平均尺寸的增加而增大;磨損量隨著磨粒硬度的增大而加大等。1.2粘連磨損特性在兩摩擦表面相對滑動時,材料發(fā)生"冷焊"后便從一個表面轉移到另一個表面,成為表面凸起物,促使摩擦表面進一步磨損的現(xiàn)象稱為粘著磨損。影響粘著磨損的主要因素:同類的摩擦副材料比異類材料容易粘著,采用表面處理(如熱處理、噴鍍、化學處理等)可以減少粘著磨損;脆性材料比塑性材料抗粘著能力高;材料表面粗糙度值越小,抗粘著能力也越強;控制摩擦表面的溫度,采用的潤滑劑等可減輕粘著磨損等。1.3沖蝕磨損的概念當含有流動微粒(固、液或氣體)的流體沖擊材料表面造成的一種磨損現(xiàn)象稱為沖蝕磨損。影響沖蝕磨損的主要因素是流動微粒的沖擊速度及角度等。1.4疲勞磨損性當兩種材料相對運動(滾動或滑動)時,接觸區(qū)受到循環(huán)應力的反復作用,當循環(huán)應力超過材料接觸疲勞強度,接觸表面或表面下某處形成疲勞裂紋,造成表面層局部脫落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。影響疲勞磨損的主要因素:零件表面硬度越高,產(chǎn)生疲勞裂紋的危險性越小;減少表面粗糙度,可改善零件疲勞壽命;高粘度的潤滑油能提高抗疲勞磨損的能力,有利于提高疲勞壽命等。1.5腐蝕磨損的測定摩擦過程中,摩擦面與周圍介質發(fā)生化學或電化學反應,造成表面材料的損失現(xiàn)象,稱為腐蝕磨損。影響腐蝕磨損的主要因素:腐蝕介質(如酸、堿、鹽)的性質、零件表面氧化膜的性質和環(huán)境溫度與濕度等。1.6磨損類型對磨損性能的影響在相互壓緊的金屬表面間由于微小振幅振動,使接觸面產(chǎn)生氧化磨損微粒,難以從接觸部位排除,就會發(fā)生微動磨損。影響微動磨損的主要因素:同類材料相接觸要比異類材料相接觸時磨損情況嚴重的多。表1為工業(yè)領域中不同磨損類型的統(tǒng)計表,實際上大多數(shù)的工業(yè)領域中的磨損失效現(xiàn)象是以上述幾種磨損形成的復合形式出現(xiàn)的。上述磨損的分類方法比較常用,實際上這類方法里包含兩類磨損,即由于磨料作用于材料表面造成的磨料磨損以及摩擦副之間的摩擦導致的磨損。對于磨料磨損還可以進一步按不同分類方法進行分類:例如,兩體磨損、三體磨損、鑿削磨損、高應力磨損、低應力磨損、切削磨損、變形磨損等,此處不再羅列。2磨料磨損的失效從表1工業(yè)領域中磨損類型的統(tǒng)計表可知,磨料磨損占磨損類型的50%,是磨損失效中最主要的一種類型。本文重點討論磨料磨損的失效分析。一般來說,在磨料磨損過程中,材料的遷移主要有切削、變形和脆斷三種形式。2.1磨?？够阅チ项w粒作用在材料表面,顆粒上所承受的載荷分為切向分力和法向分力,在法向分力作用下,磨粒刺入材料表面,在切向分力的作用下,磨粒沿平面向前滑動,帶有銳利棱角和合適攻角的磨粒對材料表面進行切削,如圖1a,b所示。如果磨粒棱角不銳利,或者沒有合適的攻角,材料便發(fā)生犁溝變形,磨粒一邊向前推擠材料,一邊將材料犁向溝槽兩側,如圖1c所示。在切削的情況下,材料就像被車刀車削一樣從磨粒前方被去除,在磨損表面留下明顯的切痕,在磨屑的切削面上也留有切痕,而磨屑的背面則有明顯的剪切皺褶,如圖1d所示。2.2剪切磨損變形在滑動磨粒磨損中,由于磨粒不具備有利的攻角如圖1c,并不是一次犁就產(chǎn)生磨屑,在磨粒的反復多次作用下,形成薄的片狀碎屑,這種磨屑表面比較光滑,看不到磨痕和剪切褶皺,這類磨損則屬于變形機制。當磨料以較大的角度作用于材料表面時,材料不具備被切削的條件,此時,磨料顆粒將材料從坑中擠出,在眾多磨粒反復作用下,材料多次變形硬化失去塑性,直到應力超過材料的強度極限后形成扁平狀磨屑脫落,此類磨損多發(fā)生于顎式破碎機及錐式破碎機的齒板和破碎壁表面,磨屑如圖2所示。但是值得注意的是,對于這類工件,宏觀上磨料與材料似乎沒有相對滑動,在微觀上材料表面的磨料還是有一部分作滑動或者轉動,這時仍是可以直接產(chǎn)生短切屑或鑿屑。2.3宏觀上的磨損硬而脆的材料遇到磨粒磨損時,由于磨料不易刺入材料使材料發(fā)生塑性變形,更不易被切削,這時材料常常是以脆性斷裂、微觀剝落的機制發(fā)生遷移,宏觀上便是發(fā)生了磨損,如圖3所示。圖4表示了不同性質的材料所對應的不同磨損機理,可見不同的磨損機理在不同性質材料之間可以轉化。3磨損系統(tǒng)函數(shù)材料的耐磨性不是材料自身固有的性質,它是磨損系統(tǒng)的函數(shù),同一材料在不同工況下表現(xiàn)出的磨損特性不盡相同,因此,有必要了解磨損系統(tǒng)中各參量對材料的耐磨性和磨損失效的影響。3.1環(huán)境條件的破壞3.1.1磨料刺入深度的影響一般來說,隨著磨損壓力的增加,磨損量隨之增大,因為隨著壓力的增大磨料對于材料的刺入深度增加,對材料表面進行切削或變形的能量隨之增強。3.1.2沖蝕磨損速度對于不同磨損種類,磨損速度的影響是不同的?；瑒幽p情況下,速度的影響并不明顯;沖蝕磨損速度對磨損有重要影響,當沖擊速度高到一定程度時,原本在滑動磨損或低速情況不造成磨損的物料此時也可以造成磨損,極端的例子是高壓水射流切割以及氣蝕等,這是因為速度決定輸入給磨損表面的能量,能量越高,磨損越嚴重。3.1.3沖蝕工況下磨損量沖蝕磨損中沖擊角度對磨損的影響非常大(圖5),圖5a為材料在不同沖擊角度下的磨損特性?？梢?沖擊角度對脆性材料和韌性材料的影響不同。對于玻璃、陶瓷等脆性材料,隨著角度的增加磨損量增加,在接近90°角的垂直沖擊條件下,磨損量達到最大,這表明脆性材料不適合在大角度沖蝕工況下使用;對于韌性材料,磨損量先是隨著沖擊角度增加而增加,在某一角度時達到最大值,其后隨著沖擊角度的增加磨損量隨之下降。這表明韌性材料在低角度工況下工作容易發(fā)生磨損,而在高角度時則可充分發(fā)揮其耐磨性。這是因為韌性材料硬度較低,低角度沖蝕時磨粒對表面的切削最有利,磨損量即上升,而脆性材料在垂直沖擊時,材料表面最容易碎裂剝落,所以磨損量最大,通常工程上用的金屬耐磨材料介于兩者之間。硬質合金和碳鋼的沖擊角度對磨損量的影響見圖5b。掌握不同材料在特定磨損工況下的最大磨損角度和最小磨損角度,對于沖蝕磨損下耐磨材料的選擇和抗磨對策的制定有重要指導意義。3.2材料的硬度在磨料的諸多特性中,磨料硬度的影響最為重要,早在20世紀40年代,蘇聯(lián)的赫魯紹夫以及后來英國的理查森都有過大量的研究,對此將在后面結合材料硬度進行敘述。3.2.1磨損的變化。根據(jù)具體的統(tǒng)計血管自磨料粒徑對磨損的影響,最初隨著粒徑的增大磨損呈線性關系增大,當達到某個數(shù)值即所謂的臨界粒徑之后,磨損的增長就變得緩慢,或者出現(xiàn)不再增長的情況。3.2.2磨損能力的比較磨粒的粒形對磨損有很大的影響,尖銳磨粒的磨損能力很強,而圓鈍的磨損能力相對較差。這是因為尖銳的磨?？梢员容^容易地刺入材料表面,引起材料的塑性變形,或者直接切削材料,而切削是一次成屑,所以尖銳磨粒的磨損能力很強。3.2.3磨料的磨損實際工程中,在金屬摩擦副的情況下,液體進入對磨界面,磨損可以大大下降;可是在磨料磨損的情況下,磨料中有水分進入,磨損反而變得嚴重。另外,對于摩擦磨損,潤滑劑達到一定量時,潤滑和減磨效果就不再增加,而磨料磨損的磨損量先是隨著水分增加而增加,達到最大值后,隨水分的增加而下降,其極端情形為砂漿磨損。3.3材料的硬度與表面粗糙度的關系材料特性對磨損的影響非常大,工程耐磨材料主要有金屬和非金屬兩大類,用于耐磨用途的非金屬材料主要有陶瓷、橡膠。在水平和低角度磨損時,陶瓷顯示出了優(yōu)異的耐磨性,特別是在高溫工況下更是如此。在垂直或大角度沖擊磨損工況下,橡膠材料表現(xiàn)出色,特別是在濕磨料磨損時更是如此。不同的材料在同樣磨損條件下所表現(xiàn)出的磨損特性不盡相同。金屬耐磨材料兼?zhèn)鋸姸取㈨g性和耐磨性于一身,應用最為廣泛。在金屬材料性能與磨損的關系中,研究得最多的依然是硬度的影響,早期赫魯紹夫、理查森所作的工作是經(jīng)典的,直到現(xiàn)在依然被廣泛引用,如圖6所示。對于純金屬(圖6中的曲線1,2所覆蓋的范圍),隨著材料硬度的增加,相對耐磨性隨之增加并呈現(xiàn)出較好的線性關系。而對于某一種碳素鋼或合金鋼(圖6中的曲線3,4,5),采用熱處理使之硬度在200~800HV之間變化時,隨硬度增加其相對耐磨性的增加比較緩慢。在研究磨損機理和磨損特性時,常常單獨考察材料硬度的影響或者磨料硬度的影響。實際在工程上,更有意義的是材料與磨料的相對硬度,或者說是硬度比值。從對磨料磨損進行的大量試驗發(fā)現(xiàn),材料硬度與磨料硬度的比值與磨損量之間有如圖7的關系。圖中H1和H2分別為材料M1和M2的硬度。圖7為兩種不同硬度金屬隨著磨料硬度變化時的磨損體積變化以及兩種材料磨損體積之比的變化規(guī)律,在圖7a中,對于較軟的材料M1而言,當磨料的硬度小于材料的硬度H1時,隨著磨料硬度的增加,磨損上升緩慢,而當磨料的硬度上升到材料硬度左右時,磨損對磨料硬度最為敏感,當磨料硬度超過材料的硬度后,繼續(xù)提高磨料的硬度對磨損沒有影響。同樣道理,對于硬材料M2也存在同樣變化規(guī)律,將大量的實驗結果歸納起來可以將磨損分為三個區(qū)域:Ⅰ低磨損區(qū),Hs<Hm[Hm/Hs>(1.25~1.30),式中Hm為材料的硬度,Hs為磨料的硬度];Ⅱ過渡磨損區(qū),0.8Hs<Hm<1.25Hs;Ⅲ高磨損區(qū),Hm<1.25Hs。低磨損區(qū)Ⅰ:在Ⅰ區(qū)磨損不嚴重,在這個區(qū)域內的磨損有的學者稱之為軟磨料磨損,其磨損機理還不很清楚,有的學者將其歸結為化學拋光作用,但是在研究煤的磨損和農(nóng)作物的磨損時發(fā)