45钢磨损性能和磨损机制的研究

Ⅱ
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ａｎｄ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ
ｗｏｒｎ ｓｕｒｆａｃｅｓ
ｗｅａｒ
ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴＩｌｉＳ
ＳＥＭ，
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本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
Ｏｉｌ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｅａｒ
ｌｏｓｓ．Ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｔｈｅ ｌｏａｄ，
ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｍａｒｋｅｄｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｗｅａｒ ｌｏｓｓ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｌｏｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｈａｒｄｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｌｓｏ ｈａｄ ａｐｐａｒｅｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
关键词：４５钢；磨损性能；微观组织；磨损机制；
实验条件
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｏｎ
ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ４５ ｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，
ａｓ
ｕｎｄｅｒ １００．１５０ Ｎ ａｔ ２００ ｏＣ ｏｘｉｄｅｓ
ａｒｅ
ｗｅｌｌ
ａｓ
ｕｎｄｅｒ ５０．１００ Ｎ ａｔ ４００
ｏＣ．Ｔｈｅ
ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ Ｆｅ３０４，ａ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｆｅ２０３ ａｎｄ
ＦｅＯ．Ｔｈｅ
ｗｅａｒ ｄｅｂｒｉｓ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ
ｍｉｘｔｕｒｅ
损失重。在不同的实验条件下４５钢的磨损机理表现为：在常温及２００
０Ｃ、５０
Ｎ条件下，主要是磨粒磨损和粘着磨损；
ｏＣ、５０—１００
２００ ｏＣ、１００．１５０ Ｎ
及４００
Ｎ条件下，为氧化疲劳磨损，氧化物层以Ｆｅ３０４为
主，还有一定量的Ｆｅ２０３和ＦｅＯ，产生的磨屑为Ｆｅ３０４、Ｆｅ２０３和Ｆｅ的 混合物；４００ ｏＣ、１５０ Ｎ条件下，转变为塑性挤出。
３
江苏大学硕士学位论文 以来，对包含有氧化膜的磨损模型进行了广泛的研究，同时，对于氧化膜生长方 面的知识和理论也得到了发展，这些研究成果被用来解释这种特殊的摩擦现象， 出现了包含有氧化物膜的氧化磨损理论。
Ｌｉｒａ和Ａｓｈｂｙ区分氧化磨损为两种状态，轻微氧化磨损和严重氧化磨损。在这
里轻微或严重指氧化的程度，而非磨损程度。并指出１ ｍ／ｓ的滑动速度需要给出足
ｏｎ
ｗｅａｒ ｌｏｓｓ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｌｏｓｓｅｓ ａｔ
ａｒｅ
ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ２００ ｏＣ ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ ｅａｃｈ ｏｔｈｅＬ ｂｕｔ ｔｈｅｙ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ａｔ ４００ ｕｎபைடு நூலகம்ｅｒ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ
ｍａｒｋｅｄｌｙ
ｏＣ．Ｔｈｅｒｅ
与润滑是相互关联的。
意大利的ｄａＶ＇ｍｅｉ（达・芬奇）、法国的Ａｍｏｎｔｏｎ（｛；可蒙顿）和Ｃｏｕｌｏｍｂ（库仑）对摩擦 学的发展做出了极大的贡献，他们创立了三个摩擦定律，Ｖｉｎｃｉ认为摩擦力是物重 量或负载的¨，且对于所有的材料都一样，即摩擦系数为０．２５；Ａｍｏｎｔｏｎ在１６９９
发表的摩擦定律为：滑动摩擦阻力的大小与接触面间的法向负载成正比，与名义接 触面积无关。１７８５年Ｃｏｕｌｏｍｂ在试验时得到的结论是：两个相对运动物体表面的
ｏｆ Ｆｅ，Ｆｅ３０４，Ｆｅ２０３ ａｎｄ ＦｅＯ．Ｐｌａｓｔｉｃ
ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｅｖａｉｌｅｄ ｕｎｄｅｒ １５０ Ｎ
ａｔ ４００
ｏＣ．
ＫＥＹ
ＷｏＲＤＳ：４５ ｓｔｅｅｌ，Ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｗｅａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
分别见表１－１和１－２［６，ｒｌ。
２
江苏大学硕士学位论文
表１－１摩擦分类
Ｔ，山ｌｅ １．１ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
表１－２磨损的分类
亿ｌｂｌｅ．１．２
ｗｅａｒ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
１．２．２氧化磨损机理
从上世纪五十年代，Ａｒｃｈａｒｄ和Ｈｉｒｓｔ［８】首次发现氧化膜与钢磨损有着密切关系
能延长零件的使用寿命，因此，开展磨损研究对于提高机器设备的质量和节约原 材料无疑具有重大意义【∞ｌ。而要达到控制和减少磨损的目的，磨损机理的研究极 其重要。从摩擦学诞生的那天起，磨损机理的研究一直是摩擦学研究的重点，但
由于摩擦学的系统特征所表现出的强烈的系统依赖性、不可移植性和过程的时变
特征【４】，导致摩擦学研究具有不同于一般研究的复杂性和艰巨性，因此，磨损机理 的研究仍没完善，仍是一个有待更进一步研究的课题。 在摩擦力的作用下，钢铁材料接触表面间的化学反应在很大程度上决定了其 摩擦学性能。许多摩擦系中，总磨损率由接触表面的氧化速率决定。若要氧化磨 损机理占主导地位，基体必须具有足够的强度，能在摩擦热作用下形成氧化膜。 基体强度不足，表层和次表层剪切变形产生的材料损失将超过氧化速率，造成严 重磨损。根据大量文献报道可知，国内外对磨损机制进行的一些研究，已认识到 氧化物形成、生长和剥落在磨损中的重要作用，但氧化磨损的机理尚不够完善。 ４５钢是最常见的优质碳素钢材料之一，其磨损性能在金属材料中很具代表性， 所以在讨论金属材料磨损性能的时候常会采用４５钢作为参照对象，然而目前对４５ 钢磨损性能的研究过于简单、单一。本文系统研究了４５钢的显微组织和实验条件 对摩擦磨损性能的影响及规律，采用扫描电镜、能谱仪和Ｘ射线衍射物相分析仪 等手段对磨损表面、磨损剖面及磨屑的形貌及成分和结构进行了观察和分析，探
学位论文作者签名：
．缭
日期：２０１０年∥月
江苏大学硕士学位论文
第一章绪
１．１
论
选题目的与意义
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互
关系的理论与应用的－－１＂３边缘学科【１１。所有机器和机构的运转都是依赖其零件副的
相对运动，有相对运动就有磨损，磨损导致表面损坏和材料损耗，是造成零件失
界滑动摩擦阻力与滑动速度无关【５１。上述的三个摩擦定律是建立在刚性力学的基础
上，且是在力学发展的初期，所以有局限性；它无法解释摩擦过程能量的消耗，
也与摩擦系数在运动过程中是变化的相违背，它只能算是经验规则。在二十世纪 以来，在阐明摩擦机理方面提出了各种理论，如机械理论、分子吸附理论、粘着 磨损理论、分子机械理论等。在解释磨损起因方面，有粘着磨损理论、表面疲劳 磨损理论、磨粒磨损理论等。在润滑理论方面，有流体动压润滑理论、流体静压 润滑理论和弹性流体动压润滑理论等。根据不同条件，对摩擦和磨损的具体分类，
江苏大学 硕士学位论文 45钢磨损性能和磨损机制的研究 姓名：王洋 申请学位级别：硕士 专业：钢铁冶金 指导教师：王树奇 20100604
江苏大学硕士学位论文
摘
要
本文系统研究了４５钢的显微组织和实验条件对摩擦磨损性能的影
响及规律，采用扫描电镜、能谱仪和Ｘ射线衍射物相分析仪等手段对
磨损表面、磨损剖面及磨屑的形貌及成分和结构进行了观察和分析，
破坏，加速了氧化膜的生长速率。Ｔａｏ［１１１、Ｔｅｎｗｉｃｋ和Ｅａｒｌｅｓ［１２１、Ｑｕｉｒｍ【１３１、Ｗｉｌｓｏｎ［１４】
等都提出了相应的氧化磨损理论，其中Ｑｕｉｎｎ，Ｗｉｌｓｏｎ的理论应用较广。
Ｑｕｉｎｎ的理论状的氧化物层，由于氧化物层厚到足以从磨面上剥离，在 磨损刚开始，未磨损表面形成的氧化膜被破坏，导致严重磨损的初期开始，然后 通过未知的过程，磨损表面恢复，达到轻微磨损的状态，形成厚的氧化膜，使磨 损速率从开始高速率陡降。当氧化膜达到临界厚度，变得太弱而无法承担载荷和 摩擦剪切应力而脱落。摩擦接触温度非常高，使得氧化膜的生长明显，但只限于 接触的凸点面积。图１．３示出了Ｑｕｉｎｎ氧化磨损理论示意图。最近在硬层和软基体 界面应力分析【１５Ｊ指出，当在某一厚度的硬膜表面承受周期的接触应力时，在膜与 基体界面上出现高的剪切应力集中导致膜的破坏。Ｆｅ３０４比钢硬得多，而ＦｅＯ不是。 因此增加温度，氧化物膜结构变化，其失效机制可能发生变化。但未提到基体性 能特性等对膜剥落的影响，其影响应该是必然存在的。对于保护膜表面硬化和氧 化都是必要的，对于退火钢硬化是由变形产生的。因此，在轻微氧化磨损条件下 氧化膜和基体的相对力学性能是很重要的。 Ｈｏｎｇ等提出了对于Ｑｕｉｎｎ氧化磨损理论的修改，Ｑｕｉｎｎ认为磨损率与氧化成
ａｒｅ
ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ａ
ｉｎ ４５ ｓｔｅｅｌ．Ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ ｐｒｅｖａｉｌｅｄ ａｔ ｒｏｏｍ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｕｎｄｅｒ
ｌｏａｄ ｏｆ ５０ Ｎ ａｔ ２００ ｏＣ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｗｅａｒ ｐｒｅｖａｉｌｅｄ
够的热量，而使氧化变得显著，在１ ｍ／ｓ时闪点温度达到７０００（２（室温磨损）。还指 出，滑动速度超过１０ ｍ／ｓ，氧化变得更彻底，导致向严重氧化磨损转变，这时氧化
物变成塑性，局部发生熔化，出现粘性液体流动。 按照Ａｒｃｈａｒｄ和ｎｉｒｓｔ的观察，轻微磨损是依赖于氧化膜的存在，由此奠定 轻微磨损的理论。文献【９】发现氧化膜的形成时间比其在磨损中发生破坏时间长得多。 大多数氧化轻微磨损理论都基于这样的概念，即氧化物膜的慢速生长，达到控制参 数的一定值（如氧化膜的厚度），发生瞬间断裂。对于钢，临界氧化物膜厚度为１０ｐｍ， 达到临界厚度时，氧化物膜剥落造成磨损【砌。此外，氧化物薄膜通过磨损接触逐渐
江苏大学硕士学位论文 讨了４５钢的磨损机理。这对于金属材料在大气环境下氧化磨损的研究具有重要的
学术意义。
１．２钢的磨损理论的研究概况
１．２．１
摩擦磨损
摩擦学ｍｉｂｏｌｏｇｙ）名词是在１９６６年才出现的，摩擦学是研究相对运动的相互
用表面的有关理论与实践的一门科学与技术，是研究两表面摩擦、磨损、润滑相 关联的科学与技术的总称【５１。磨损是由于物体表面相对运动，依靠机械的和化学作 用致使表面的物质不断地去除，摩擦的结果一般会形成磨损，但在特定条件下流 体润滑中，外摩擦转变为内摩擦）有能量损失却不一定有材料损失，因此摩擦、损
探讨了４５钢的磨损机理。对于金属材料在大气环境下氧化磨损的研究 具有重要的学术意义。 实验结果表明：回火组织对４５钢磨损失重的影响取决于载荷大小。 在５０—１００ Ｎ的低载荷下，不同回火组织的磨损失重变化不大，随着 载荷增大，回火组织对磨损失重有显著影响，磨损失重随着回火温度 的升高和硬度降低而增加。环境温度对磨损失重有较明显的影响。在 室温和２００ ｏＣ条件下的磨损失重相差不大，但均明显低于４００ ｏＣ时磨
效和材料损耗的主要原因。统计分析表明：世界能源约有一半以上是以不同形式消 耗在克服机械零件对偶表面相互作用的摩擦、磨损上面，大约有８０％的零件失效是 由于各种形式的磨损引起的。磨损是机械材料失效的主要三种形式之一，磨损造 成的经济损失十分巨大，在美国因摩擦磨损造成的经济损失每年超过２０００亿美元。
我国每年因摩擦磨损造成的损失据测算达上千亿元人民币任何减少磨损的措施都
ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ
ｏｘｉｄａｔｉｖｅ ｗｅａｒ．
ｏｎ
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｔｈｅ ｗｅａｒ ｌＯＳＳ
ｎｏｔ
ｄｅｐｅｎｄｅｄ
ａｐｐａｒｅｎｔ
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ｔｈｅ ｌｏａｄ．Ｕｎｄｅｒ
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