磨料磨损

（三） 、磨料磨损过程中材料去除的两种机制 1、由塑形变形机制引起的去除过程
当磨料与塑形材料表面接触时，主要会发生两种主要的材料去除过程（图 5.7） （1）犁沟——材料受磨料的挤压向两侧产生隆起。这种过程并不会直接引起材料的去除， 但在多次变形后会产生脱落而形成二次切削（图 5.7a） （2）微观切削——材料在磨料作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可直接造成材 料的去除，形成一次切削（图 5.7b） 。
（2）材料微观组织的影响 材料的微观组织与机械性能有密切关系， 因而它对材料的耐磨性也有重要影响。 图 5.31 表示了与合金微观组织和耐磨性有关的一些基本因素。
微观组织对材料耐磨性影响的基本规律一般可分为两类： a、微观组织的尺寸小于磨料颗粒压入深度。在这种情形下，微观组织主要对其宏观性 能有明显影响。 b、微观组织的尺寸等于或大于磨料颗粒压入深度。在这种情形下，微观组织中的单独 相及组元的重要性显得格外突出了。 图 5.32 表示了铁金属材料的微观组织在不同条件下磨损系数和宏观硬度的关系。由此 可见，这些因素的相互影响是相当复杂的且与磨损的工况条件有关。 图 5.33 表示钢的不同组织类型在不同硬度水平时的相对耐磨性。各种组织的耐磨性随 硬度增加而增加，在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体优于珠光体和马氏体。
表 5.4 为我国一个典型矿山中所消耗的钢材备件数字， 从中可以了解到在冶金矿山 领域中采掘、破碎和选矿工艺过程中磨料磨损的严重程度。在五个主要生产工序中，消耗备 件到千万元以上。加上工时损失和人工检修费用，经济损失每年可达 4000 万元以上。
二、基本原理、模型及影响因素
（一）磨料磨损的简单模型
（四） 、磨料磨损的影响因素
实际的磨料磨损过程是一个复杂的多因素综合作用的摩擦学系统。 利用系统分析方法可 以较为清楚地考察各个组员及其相互作用以及环境条件的影响。图 5.15 表示了在磨料磨损 系统结构中各种影响因素及其主要参数。
磨料磨损的影响因素： 1、磨料特性的影响 2、材料机械性能和微观组织的影响 3、工况和环境条件的影响
在许多摩擦学专著中都引用 E.Rabinowicz 在 1966 年所提出的磨料磨损简化模型和数学 表达式（图 5.1） 。这种简单模型的基本假设是： 1、将经受磨损的材料简化成一种不产生任何塑形变形的绝对刚体； 2、将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体； 3、将磨损过程视为简单的滑动过程； 利用这个简单模型， 可以很容易计算出在一个圆锥体的磨料颗粒作用下， 滑动一定距离 所磨损掉的材料体积（阴影部分） 。即：
磨料磨损
一、概述
在欧洲合作与发展组织（OECD）编定的摩擦学术语中对磨料磨损所下的定义为： “由 于硬颗粒或硬凸起物使材料产生迁移而造成的一种磨损” 。 对磨料磨损的分类方法也很多。许多文献中经常引用的是 Avery 和 Rigncy 的分类方法 （表 1）此外，人们也经常采用按不同的系统特性来进行分类的方法（表 2） 。
在磨料磨损过程中，磨料颗粒在压力作用下会使经受磨损的材料产生弹性和塑形变形， 从而在材料亚表层不同深度处会形成压应力和拉应力 （图 5.2） 。 这种应力使材料的位错密度 和硬度发生变化（图 5.3） 。同时，由于磨料与材料接触过程中的接触角不同，材料迁移的机 理以及应力分布也随之而变。图 5.4 和图 5.5 分别表示接触角大于或小干临界接触角的特性 及应力分布状态。 图 5.6 表示了材料在磨料磨损过程中产生摩擦功的能量变换方式。
2、由断裂机制引起的去除过程
这种去除过程在脆性材料中显得特别重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它们对于断裂 破 坏 十 分 敏 感 。 图 5.10 表 示 由 于 断 裂 机 制 形 成 径 向 、 中 间 及 横 向 裂 纹 示 意 图 。
当施加载荷较大、 磨料尖锐以及材料的断裂韧性与硬度的比值越低时， 材料越趋向于压 痕断裂， 材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度， 如果压痕深度大于产生断裂的临界深 度值因而减小了因断裂机制去除的磨损体积。 3、两种机制的关系：两种机制的转换在磨料磨损过程中，无论是塑性材料或脆性材料，都 可能同时发生塑性变形及断裂两种机制。 只是由于磨损环境条件及材料特性不同， 某一种磨 损机制会占主导地位。而且，常常随条件的变化发生一种磨损机制向另一种机制的转换。
（2）磨料尺寸的影响 磨料尺寸（粒度）对磨料磨损也有一定的影响（图 5.20） ，当磨料在某一临界尺寸一下时， 体积磨损随磨料尺寸的增大而急剧地按比例增加； 当超过这一临界尺寸时， 磨损增大的幅度 显著降低。不同材料的直线斜率不同，临界尺寸也略有区别。
（3）、磨料形状的影响 磨料形状（尖锐度）对磨料磨损过程也有明显的影响。由于各种磨料的形状难以测量和 定量区别，一般仅定性地将磨料形状区分为三种典型类型：尖锐型、多角形和圆型。 表 5.6 给出了在实验室中用橡胶轮磨损试验机试验得出的磨料颗粒形状对不同材料磨损 率的影响。
1 V 2r x l r x l 2
式中 V—磨损掉的体积； r—磨料颗粒圆锥体半径； x—磨料压入材料内深度； l—滑动距离。 由于磨料压入材料内深度决定于压力的大小和材料硬度的比值，所以
x r tg
式中 θ—磨料圆锥体夹角； P—施加载荷； H—材料硬度。
rห้องสมุดไป่ตู้2 PH
V P tg l H
令
K
则
tg

V P K l H
以上表达式表明， 在一定的磨料条件下， 单位滑动距离内磨损的体积与施加的载荷成正 比，与材料的硬度成反比。 这个简单的模型只是一种过分理想化了的磨料磨损类型， 在实际磨料磨损过程中， 磨损 机理往往要比这种简单模型复杂得多。
（二） 、磨料磨损过程中材料亚表层的应力分布和能量转换
2、材料机械性能和微观组织的影响
（1）材料机械性能的影响 材料机械性能对耐磨性的影响包括材料的弹性模量、宏观硬度和表面硬度、强度、塑性 和韧性。 图 5.23 表示了某些纯金属的弹性模量与相对耐磨性之间的关系。由图可见，工业纯金 属的耐磨性与其弹性模量成正比，但是，这种关系不适用于热处理过的钢，因为热处理不会 改变材料的弹性模量却使耐磨性大大提高。 图 5.24 表示了某些纯金属和钢的相对耐磨性和宏观硬度之间的关系。工业纯金属和不 同类型钢的相对耐磨性与其宏观硬度成正比。 图 5.25 表示了某些材料的相对耐磨性与磨损后的表面硬度之间的关系。材料的耐磨性 与其磨损后的表面硬度成正比， 近期的研究指出： 磨损表面的极限强度时材料破断前所能贮 藏的最大位错密度的量度。 因此， 材料磨损后的表面硬度比其宏观硬度与耐磨性有更直接的 关系。 图 5.27 表示在不同硬度水平时强度和塑性与耐磨性之间的关系。由图可见，材料的耐 磨性与拉伸强度和塑性之间没有明显的对应关系，只是可以看出，在高硬度水平时，由于强 度特别是塑性和韧性的提高，耐磨性大大增加。
3、工况和环境条件的影响
在磨料磨损系统中， 除了磨料及材料特性两个组元的特性及其相互影响外， 工况和环境 条件对磨损过程也有很大的影响。这些因素主要是指速度、载荷、磨损距离、磨料冲击角以 及环境湿度、温度和腐蚀介质条件等。 研究表明：某些软材料。滑动速度在 0—2.5m/s 范围内，体积磨损只随滑动速度的增大 而略有增加（图 5.35） 。 在干、 湿磨损条件下的磨损数据表明： 一般情况下， 湿磨损由于能起到润滑和冷却作用， 磨损率稍有下降。然而，在带有腐蚀介质及高温条件下的磨料磨损过程会有很大的变化。
表1续
磨料磨损很少是一种单一的磨损机制所引起，而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，可以从一种磨损机制转化成另一种磨损机制。 在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占 50%。仅冶金、电力、建材、 煤炭和农机五个部门的不完全统计， 在我国每年因磨料磨损所损耗的钢材达百万吨以上， 加 上 更 换 部 件 所 造 成 的 生 产 效 率 降 低 等 间 接 损 失 ， 消 耗 资 金 达 20-30 亿 元 以 上 （ 表 5.3)
1、磨料特性的影响
（1）磨料硬度的影响 磨料硬度对材料的磨损率有明显的影响。这种影响的程度主要是以材料硬度 Hm 和磨料 硬度 Ha 的比值为标志的。图 5.16 表示了 Hm/Ha 比值与耐磨性及磨损机制转换之间的关系。 图 5.17 表示了 Hm/Ha 与金属和陶瓷材料磨损率之间的关系。图 5.18 表示在不同磨料条 件下金属硬度和相对耐磨性之间的关系。 由此可见、当磨料硬度 Ha 远高于被磨材料的硬度 Hm 时，磨损与磨料硬度无关；当被 磨材料的硬度接近于磨料硬度时，磨损减慢。而当磨料硬度低于被磨材料时，随两者差别的 增大，磨损急剧减小。实际情形下，即使是磨料很软，由于冲击的作用或者软磨料中掺有硬 磨料等因素，也会导致工件的磨损。