6-材料磨损与耐磨材料(第3章磨粒磨损课件)4

V / L rx r2tg r2tg / tg P / H
V L

P
H
• tg
令 Kabr tg /
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
则： V Kabr P LH
V

K abr
PL H
Rabinowicz （拉宾诺维奇）模型物理意义：在一 定磨粒条件下，单位距离内磨损体积与施加载荷成 正比，而与材料的硬度成反比。它与阿查德方程相 似．即磨损量与载荷和滑动距离成正比，而与被磨 材料的硬度成反比。
第一篇 材料磨损基础
➢Chapter 1: 材料的磨损 ➢Chapter 2: 固体表面结构与接触特性 ➢Chapter 3: 材料的磨损机理
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Chapter 3: 材料的磨损机理
➢ §3.1 粘着磨损 ➢ §3.2 磨粒磨损 ➢ §3.3 腐蚀磨损 ➢ §3.4 疲劳磨损 ➢ §3.5 冲蚀磨损 ➢ §3.6 微动磨损
粗糙表面上的硬微凸体对相对较软的摩擦配副表 面的划伤；
材料的工作表面随硬质颗粒的压入和摩擦所造成 的磨损。
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§3.2 磨粒磨损
➢§3.2.1 磨粒磨损的概念 ➢§3.2.2 磨粒磨损的分类 ➢§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理 ➢§3.2.4 磨粒磨损的影响因素
7源自文库
§3.2.2 磨粒磨损的分类 ➢ 磨粒磨损是一种常见的磨损形式，也是最重要的磨
局限性：
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局限性：（实际情况是：）
不是单个、而是多个磨粒共同作用 材料发生塑性变形 磨损过程中常常会伴随有冲击的作用。 磨损环境的影响（温度、湿度、腐蚀介质等）
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
➢ 磨粒磨损是硬的磨(颗)粒或硬的凸出物在与摩 擦表面相互接触运动过程中，使表面材料发 生损耗的一种现象或过程。
损类型。 （1）一般将磨粒磨损分为三大类： 第一、低应力擦伤式磨粒磨损，如图1.3-20。
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低应力磨粒磨损—— 磨粒与材料表面间的作用力小于磨粒本身压溃强度时的力。 磨损结果是在材料表面只发生微小的划痕（擦伤），既不使磨粒 破碎又能使材料不断流失的磨损方式，宏观可见磨损表面比较光 亮，高倍观察可见微细的磨沟或微坑一类磨损。典型零件如农机 具的磨损、运输过程的溜槽、漏斗、料车等。
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§3.2 磨粒磨损
➢§3.2.1 磨粒磨损的概念 ➢§3.2.2 磨粒磨损的分类 ➢§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理 ➢§3.2.4 磨粒磨损的影响因素
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§3.2.1 磨粒磨损的概念
磨粒磨损是硬的磨(颗)粒或硬的凸出物在与摩 擦表面相互接触运动过程中，使表面材料发生损耗 的一种现象或过程。
对多晶体脆性材料，即使压痕尺寸小于临界尺寸，也
会发生次表面断裂。对脆性材料，压痕带有明显的表
面裂纹，压痕附近还有横向裂纹、径向裂纹。断裂韧
性低的材料裂纹较长。对磨粒磨损，当横向裂纹、径
向裂纹互相交叉或扩散到表面时，造成微观断裂机理
的材料磨损。
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
脆性材料的体积磨损决定于断裂 机理、微观切削机理和塑性变形
分析这种磨损机理可知．材料多次塑性变形引起 了材料晶格畸变，畸变力达到了材料不破坏其间的联 系则无法再改变其形状的极限状态。即材料不能再继 续变形和吸收能量。有些截面(当外力不变时)由于应 力增长(集中)而逐渐丧失塑性并转变为脆性状态，在 冲击力作用下裂断成磨屑。
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多次塑变磨损机理是否适合所有材料呢？
Depth(m) Depth(m)
Y
Y
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
100
200
300
400
500
600
X
Width(m)
Y
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
200
300
400
500
600
700
X
Width(m)
Y
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
当磨粒的硬度超过零件表面材料的硬度时，在冲击力 的作用下，磨粒压入材料表面，使材料发生塑性流动， 形成凹坑及其周围的凸缘。当第二颗磨粒再压入凹坑 及其周围的凸缘时，又重复发生塑性流动，如此反复 塑性变形和加工硬化，使材料逐渐硬化而脆性剥落成 为切屑。
x rtg P s r2, r2 P / s
设屈服极限与硬度相等，则
r2 P/ H
θ—磨粒圆锥体夹角 P—法向载荷； H—金属材料的硬度；
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
V 1 2r x L r x L 2
x rtg
r2 P/ H
机理所产生的磨损。材料磨损的
各机理的平衡，取决于平均压痕
深度和产生断裂的临界压痕深度。
尖锐的压头在压入材料表面时，
弹塑性压入深度随着载荷增大而
逐渐增加。在达到临界压痕深度 时，因压入而产生的拉伸应力使
微观断裂
裂纹萌生并围绕压入的塑性区扩
展，断裂形成磨屑。
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
➢ 磨粒磨损表面形貌特征： 软金属被硬磨粒磨损： ✓明显塑性变形 ✓犁削作用→沟槽 ✓金属塑性挤压→隆起 ✓磨屑呈多皱折叠的块状 ✓塑性好的材料的磨屑：塑性变形撕裂特征 ✓仅6～13％的磨粒起显微切削作用，大多数使材 料表面发生塑性损伤（加工硬化），最终产生 微裂纹，导致显微剥落。
（2）磨粒磨损的机理：
磨粒磨损机理是指零件表面材料和磨粒发生摩擦
接触后，材料是如何磨损的，即材料的磨屑是如何
从表面脱落下来的。迄今为止未完全清楚，存在一
些争论。
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
第一，微观切削磨损机理 磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两
个分力。 法向力使磨粒压入表面；切向力使磨粒向前推进，
➢§3.2.1 磨粒磨损的概念 ➢§3.2.2 磨粒磨损的分类 ➢§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理 ➢§3.2.4 磨粒磨损的影响因素
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
（1）磨粒磨损的简化模型： ➢ Rabinowicz （拉宾诺维奇）在1966年提出磨粒磨损简
化模型，如下图所示。并导出定量计算公式： ➢ 模型计算的3个假设：
（5）根据相对硬度
软磨粒磨粒磨损：Hm/Ha>0.8
硬磨粒磨粒磨损： Hm/Ha<0.8 a：磨粒 m: 材料
（6）根据表面损伤形貌 擦伤型磨粒磨损 刮伤型磨粒磨损 研磨型磨粒磨损 凿削型磨粒磨损 犁皱型磨粒磨损 微观裂纹型磨粒磨损
（7）根据磨损机理 塑性变形磨粒磨损 断裂磨粒磨损
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§3.2 磨粒磨损
1
2
3
4
5
6
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§3.2.2 磨粒磨损的分类
（2）根据使用条件，还有如下分类：
冲击磨粒磨损：磨粒（通常是块状）垂直或以一定 的倾角落在材料表面上。其情况与冲蚀磨损相似，但局 部应力要高得多。
冲蚀磨粒磨损：材料同含有固体颗粒的液体作相对 运动，在表面造成的损耗。
气蚀-冲蚀磨粒磨损：固体同液体作相对运动，在气 泡破裂区产生高压或高温而引起的磨损，并伴有流体与 磨粒的冲蚀作用。
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微观切削磨损是常见的一种磨损，特别是在固定
磨粒磨损和凿削式磨损中，它是材料表面磨损的主 要机理。
是否经常发生呢？？
在某些条件下，切削磨损占整个磨损的比例 很大，但通常磨粒和表面接触时发生切削磨 损的概率不大。
其原因是：①磨粒形状较圆钝；②在犁沟过 程中磨粒的棱角不是棱边对着运动方向；③ 磨粒和被磨材料表面之间的夹角(迎角)太小； ④表面材料塑性很高。
脆性材料的压痕断裂，其外部条 件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺 寸以及周围环境等，其内部条件主要 决定于材料的硬度和断裂韧性等。
微观犁沟
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
在磨损试验中，若用球形压头，在弹性接触下伸向材 料内部的裂纹往往形成断裂。若用小曲率半径的压头， 常会变成弹-塑性变形。如果压头尖锐，则压痕未达到 临界尺寸前不会发生断裂，临界尺寸随着材料硬度的 降低和断裂韧性的提高而增大。这些静态压痕现象也 定性地适合于滑动情况。
在大量的观察发现，一些脆性材料不适合塑性变形磨损机理的解释。
第三类磨损机制
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理 ➢ 第三，微观断裂磨损机理
磨损时由于磨粒压入被磨材料表 面，大多数材料都会发生塑性变形。 但有些材料尤其是脆性材料，可能是 断裂机理占主要地位。当断裂发生时， 压痕周围的材料被磨损剥落，因此磨 损比塑性材料大。
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§3.2.2 磨粒磨损的分类
第三，凿削式磨粒磨损，如图所示。 凿削式磨损的产 生主要由于磨粒中的磨粒包含大块磨粒．而且具有尖 锐棱角，对材料表面进行高应力和伴随冲击作用，使 材料表面撕裂出很大的颗粒或碎块，被磨材料表面形 成较深的犁沟或深坑，经常在运输或破碎大块磨粒时 发生。
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请根据宏观图片辨别磨粒磨损的种类，并说明理由：
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
硬金属（耐磨材料）被硬磨粒磨损： ✓ 合金中硬化相（如碳化物）有效阻止显微切削和塑性 变形。 ✓ 磨痕可见沟痕。 ✓ 相对较软的基体存在“选择”性磨损，出现硬相凸出 现象，产生“浮雕”形貌。 ✓ 存在硬质相断裂的解理面。
腐蚀磨粒磨损：同环境条件发生化学或电化学反应，
而磨损是材料损失的主要原因。
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请根据宏观图片，结合工况，辨别磨粒磨损的种类，并说明理由：
叶轮
密封环
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§3.2.2 磨粒磨损的分类
（3）根据接触条件 ➢ 两体磨粒磨损：颗粒直接作用于材料表面 ➢ 三体磨粒磨损：颗粒处于两个被磨材料表面间。
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§3.2.2 磨粒磨损的分类
是否有一种其他的磨损机制？
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
➢ 第二，多次塑变磨损机理
在磨粒磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了 切削外，大部分把材料推向两边或前缘，这些材料的塑 性变形很大，但却没能脱离母体。在沟底及沟槽附近的 材料也有较大的变形。犁沟时可能有一部分材料被切削 形成切屑，一部分未被切削而在塑变后被推向两侧和前 缘。
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§3.2.2 磨粒磨损的分类
第二，高应力磨粒磨损也称碎式磨粒磨损，如下图所示。
当磨粒与材料之间接触 压应力大于磨粒的压溃强度 时，韧性材料产生塑性变形 或疲劳，脆性材料则发生碎 裂或剥落。
磨损的磨粒在压碎前， 几乎没有滚动和切削，对被 磨表面的主要作用由接触处 集中压应力造成。
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对塑性材料，就像打硬度一样，磨粒使材料表 面发生塑性变形，许许多多“压头”对材料表面作用， 使之发生不定向流动，最后由疲劳而破坏。对于脆硬 材料，几乎不发生塑性流动，磨损主要是脆性破裂的 结果。典型零件是滚式破碎机中的辊轮等（见右图）。
材料不发生塑性变形（刚体） 硬质磨粒简化为圆锥体 磨损过程为简单滑动
V：磨损体积 r： 磨粒圆锥
体半径
x ：磨粒压入 材料内深度
l(L)：滑动距离
1
V 2r x L r x L
2
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
➢ 因为磨粒压入金属材料内的深度，取决于压力的大小和 材料硬度的比值，所以
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➢ 硬颗粒或凸出物一般为：非金属材料，如石英砂、矿 石等，也可能是金属，如落入齿轮间的金属屑等。
➢ 磨粒磨损几乎没有一种是单一磨损机理引起的，经常 是多种磨损机制综合作用的结果，而且随着磨损条件 的变化，可能从一种机制转化为另一种机制。
➢磨粒磨损Abrasion (Abrasive Wear)的2 个层次：
若在犁沟时全部沟槽中的体积都被推向两侧和前缘 而不产生切屑，则称为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两侧 和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到随后的磨粒作 用时，可能把已堆积的材料压平，也可能使已变形的沟 底材料再一次犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产生 加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑。
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X
X
犁皱
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理
在这些情况下,磨粒在表面滑过后，往往只能犁出一条 沟来，而把材料推向两边和前面，不能切出切屑，特 别是松散的磨粒，大致有90％磨粒发生滚动接触，只 能压出印痕．而形成犁沟的概率只有10％，这样切削 的可能性更小。
还有另一种情况，如冲击角较大的冲蚀磨损，常在表 面形成压坑和在压坑周围被挤压出唇状凸缘，只能使 表面发生塑性变形，而切削的分量更少。因此微观切 削是一种常见的、但概率较小的磨损机理。
当磨粒形状与运动方向适当时，磨粒如同刀具一样， 在表面进行切削形成切屑。但这种切削的宽度和深度 都很小，因此切屑也很小，称为微观切削。
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§3.2.3 磨粒磨损基本模型与原理 在显微镜下观察，这些微观切屑仍具有机床上切屑
的特点，即一面较光滑，另一面则有滑动的台阶，有 些还发生卷曲现象。
微观切削