磨料磨损综述

磨料磨损理论

摘要：综述了磨料磨损理论的发展趋势, 介绍了磨料磨损的几种机理和几种典型的磨料磨损模型, 对影响磨拉磨损的各种因素进行讨论。

关键词：磨料磨损；磨损机理；磨料 1 引言

由硬质颗粒或硬突起与金属表面相互作用, 使金属产生磨屑而导致材料破坏的磨损现象, 称为磨料磨损。这种磨损是工业中最常见易见磨损速率极高的磨损形式, 大约有百分之五十左右的机械零件的损坏是由于磨粒磨损所致[1]。

随着我国重工业的发展, 在冶金、矿山、建材、电力、水利之机械工业中, 对各种磨粒磨损件的耐磨性提出了更高的要求。由于磨料磨损建模具有重大的实践意义, 国内外许多研究者对其进行了研究, 积累了丰富的试验数据, 并对磨损机理进行了探讨, 并建立了一些计算磨料磨损的磨损率的数学模型。但从已有的磨料磨损的模型来看,绝大多数研究人员的分析研究重点在那些确定性的因素上, 如材料的性能(硬度、塑性、疲劳强度、断裂韧性等), 载荷的大小, 相对运动的速度, 介质的温度和湿度等等;而对那些随机性的因素, 诸如载荷的波动幅度、磨粒的粒径分布、磨粒的尖锐度、材料因微观组织上的差异而产生的抗磨性质的起伏等等, 就不予考虑, 或按常量处理。这些数学模型大多是考虑了纯切削或准切削过程, 考虑疲劳断裂和塑变的较少。故这些数学模型得到的磨损率与实验结果相差比较大, 仅具有方向性的指导意义, 还不能较准确地预测材料的磨损率。所以, 现有的工作还很有限,许多实验结果常常很难解释, 迄今为止有关磨料磨损的理论研究还是不够充分, 有待进一步完善[2]。

2 磨料磨损机理与模型 2.1 微观切削机理

磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向力。法向力使磨粒压入表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕。切向力使

磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行切削，而形成切屑。不过这种切削的宽度和深度都很小，因此产生的切屑也很小。虽然切削时“刀具”，即一般的磨粒，大多具有负前角的特征，切屑变形也较大些，但代显微镜下观察，这些微观切屑仍具有机加工中切屑的特征[3]。

微观切削类型的磨损是经常见到的，特则是在固定磨料磨损和凿削式磨损中，是材料表面磨损的主要机理。但是，磨粒和炭面接触时发生切削的概率不是很大的，虽然在某种条件下切削磨损量占总磨损量的比例很大。但当磨粒形状较圆钝时，或者在犁沟的过程中磨

粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或者磨粒和被磨材料表面间的夹角(迎角)太小时，或者表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后，只犁出一条沟来，把材料推向两边或前面，而不能切削出切屑来，特别是松散的自由磨粒，大概有90％以上的磨粒发生滚动接触，只能压出印痕来，而形成犁沟的概率只不过10％，这样切削的可能性就更少了[4]。还有种情况，如冲击角较大的冲蚀磨损以及球磨机房球对磨料种击时，往往在表面上形成压坑和在压坑四周被挤压出唇状凸缘，只能使表面发生塑性变形而切削的分量就很少。

2.2 多次塑变导致断裂的磨损机理

上面已经述及，当磨粒滑过表面时，除了切削外，大部分磨粒只把材料推向前面或两旁，这些材料受到很大的塑性形变，却没有脱离母体，同时在沟底及构槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑，一部分则末被切削而仅有塑变，被推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时，则称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平，也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料的加工硬化或其它强化作用，终于剥落而成为磨屑。这种形式的磨料磨损在球磨机的磨球和衬板，颚式破碎机的齿板及圆锥式破碎壁上更具有典型性[5]。

材料多次塑性变形的磨损是因为多次变形引起材料晶格的残余畸

变，同时达到材料不破坏其间的联系而无法改变其形状的极限状态，这是由于材料不可能再继续变形和吸收能量之故。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面上(当外力不变时)由于应力的增长(集中)逐渐丧失塑性而变为脆性状态。

2.3 疲劳磨损机理

克拉盖尔斯基提出“疲劳磨损机理在一般磨料磨损中起主导作用”。疲劳一词是指出重复应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损系由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时，过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用[6]。

标准的疲劳过程常有潜伏期，在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。

吉宁巴乌姆认为疲劳磨损与多次变形表层破坏过程之间存在着许多共性关系，而且两种机理可以同时发生。他认为这两种机理的区别在于作用于金属内部的应力与相应的表层变形不向。前者发生在法向应力低于屈服极限而后者的变形破坏过程则在塑性变形条件下进行的，当材料的周期载荷超过了一定范围后，过程发生了转变。

吉宁巴乌姆认为这两种机理使材料达到破坏的加载周期数是大不相同的，疲劳破坏过程中表层微观组织的加载周期数高于十的三次方。，而多次变形过程只有十次或一百次[7]。

疲劳破坏的破坏源在离表面不远处，例如在最大剪应力处。一般这种机理具有组织的

敏感性，其特征为对破坏的选择性，至少在发展开始期是如此。而多次变形的破坏常开始于表面，此处材料达到最大程度变形常比次表层要早些。疲劳破坏较为局部，具有较深较圆的坑。而多次变形过程破坏多在表层上留有加工硬化的瓣状辗压片，其周围布有裂纹，裂纹出现在表面但不深。吉宁巴乌姆似乎把多次塑变磨损划为低周疲劳磨损的范畴[8]。

2.4 微观断裂（剥落）磨损机理

摩磨损时内于磨粒的压入材料表面具有静水压的应力状态所以大多数材料都会发生塑性变形。但有些材料，特别是脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。当断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，脆性材料的压入断裂，其外部条件决定于载荷大小、压头形状及尺寸和周围环境等参量，内部参量则主要决定于材料的硬度与断裂韧性等[9]。

脆性材料的实际体积磨损决定于由断裂机理、微观切削和塑性变形机理所生的综合磨损。

以上是磨料磨损可能出现的几种机理，有些机理以及机理的细节还有待于进一步的研究和阐明。还有一点必须加以说明，即磨料磨损过程中不只是有一种机理而往往有几种机理同时存在，由于磨损时外部条件或内部组织的变化磨损机理也相应地发生变化校往从一种机理为主转变为另一种机理为主[10]。

3 影响磨料磨损的因素

磨料磨损过程是一个复杂的多种因素综合作用的摩擦学系统，该系统主要包括磨料的特性，外部条件以及被磨材料等因素，系统中任一因素的变化都会导致系统的改变。

3.1 磨料特性及其影响

磨料一般是指天然矿物、岩石、泥沙，土壤和人工制作的一定尺寸的矿物，为粒状或无定形固体。磨料的磨损性能和磨料的机械性能(如硬度、强度等)、存在状态、结合状态及其大小、形状和运动条件等有关，特别是自然破碎后的角度。

3.1.1 磨料的形状

尖锐的、多角形的磨料比因而钝的磨料磨损得快。尖锐的磨料在问一载荷下压入深度大，容易造成金属表面的微观切削，增加磨损量；钝的磨料压入深度小，大多数产生浅的犁沟或压坑，使材料发生弹塑性变形或甚至只在弹性变形范围内，不发生切削，且在自由状态时因钝形磨料容易发生滚动，使磨损量变得很小。

3.1.2 迎角α

迎角(或叫冲角)是指磨料和材料表面接触时和表面间的夹角。当用

角锥的棱面去切削时，能否产生一次切削与迎角有关，当迎角超过临界迎角时，才能产生切屑；否则，只能产生塑性犁沟，将金属排向两边及边缘[11]。

3.1.3 磨粒的大小

材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒直径的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。若裁荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小一些。

3.1.4 磨粒的硬度

一般磨料磨损是指磨料的硬度比材料表面高得多，但当磨料的硬度比材料硬度低时，也会发生磨损只是磨损量很小而已。故材料的耐磨性不仅决定于材料的硬度Hm，而且更主要的是决定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。当Hm／Ha比值超过一定值后，磨损量便会迅速降低。

3.2 外部条件的影响 3.2.1 载荷

根据磨料磨损的简单模型可知，磨损量与载荷成正比。但是磨损率和载荷的线性关系一般都有一临界值，到达此极限载荷，线性关系开始破坏。材料表面加工硬化，磨粒受摩擦热的影响而变质以及三体磨料磨损时磨料对表面的相对运动发生变化等，都能引起磨损量的改变，破坏磨损量与载荷的线性关系。

3.2.2 滑动距离

若磨粒在滑动过程中条件不变，如磨粒不变圆钝或碎裂则磨损量与滑动距离一般成正比，否则磨损量将有改变。

3.2.3 磨料和材料表面的相对速度

当速度较小时磨损率随速度的增高而有下降的趋势．以后又逐渐升高到达一定速度后趋于常数。在低速时，速度对磨损的影响并不重要，而高速时，特别在连续运转时，速度对磨损的影响实际上是温度对磨损的影响，若此时将裁荷减小，这种影响将会降低。

3.2.4 热和温度

摩擦时，载荷和速度对磨损的影响实际上是出于热和温度的影响所致。特别在高温时，热能引起材料表面的氧化、软化、硬化甚至于熔化，这样就使表面的磨损变得复杂了。

3.3 材料的机械性能和微观组织的影响 3.3.1 材料的机械性能的影响

（1）材料的表面硬度（2）断裂韧性（3）弹性模量（4）真实切断抗力（5）抗拉强度

3.3.2 材料的微观组织

（1）基体组织（2）第二相（3）夹杂物等 参考文献

[1]仝健民, 李明义. 材料的冲击磨料磨损耐磨性及其疲劳磨损机制[J]. 机械工程材料, 1993, (3):10-12.

[2]周秋沙, 周锡容. 冲击磨料磨损机理研究[J]. 西南石油学院学报, 1996, 18(3):82-88.

[3]叶茂．金属塑性加工中摩擦润滑原理及应用.北京:冶金工业出版社，1990.1

[4]关成君, 陈再良. 机械产品的磨损——磨料磨损失效分析[J]. 理化检验：物理分册, 2006, 42(1):50-54.

[5]茹铮等．塑型加工摩擦学.北京:冶金工业出版社，1992.8 [6]余俊等，《摩擦学》，湖南科学技术出版.84年版 [7]戴雄杰，《摩擦学基础》，上海科学技术出版，1984年版 [8]籍国宝等，《摩擦磨损原理》，北京农业机械化学院，1984年版。

[9]D．F．摩尔，《摩擦学原理和应用》，机械工业出版社，1982年版。

[10]J．雹林，《摩擦学原理》，机械土业出版社，1981年版。 [11]詹武, 闫爱淑, 丁晨旭,等. 金属摩擦磨损机理剖析[J]. 天津理工学院工报,