磨料磨损

第1章 概论 1.1 磨料磨损的定义和分类 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的一门学科，是涵盖机械工程、材料科学、化学和力学等学科的交叉学科。经济合作与发展组织(OECD)将磨损定义为：由物体操作表面相对运动引起的物质逐渐损失的现象。其中，磨料磨损是摩擦学的一个重要分支，是一种由硬颗粒或硬的凸起物对摩擦表面产生相对运动而引起的材料表面产生塑性变形或脱落的现象，是在接触条件下相对运动的物体产生的材料脱离母体的流失过程[1]，是材料的三种主要失效形式之一。 现今世界能源消耗的1/3～1/2是由摩擦和磨损造成的，每年由磨损而造成的损失高达1000亿美元，其中材料消耗约为200亿美元，相当于材料年产值的7％[2]。磨损一般可分为磨料磨损、黏着磨损、冲刷磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损几种类型。Eyre[3-5]估计了各类磨损造成的损失的百分比：磨料磨损约50％；黏着磨损约15％；冲刷磨损约8％；微动磨损约7％；腐蚀磨损约6％；疲劳磨损约14％。可见，磨料磨损在几种类型的磨损中，带来的损害*为严重，它的广泛存在使工业国家每年经济损失达到国民生产总值的1％～4％[6]。根据我国有关部门的统计，仅1985年，在冶金矿山、建材、电力、煤炭和农机等五个行业中，设备构件与砂土、矿石、水泥、煤炭等物料接触而导致的磨料磨损就消耗了约200万 t 钢材，价值数十亿元人民币之巨。从研究内容及所用研究方法来看，磨料磨损是传统材料科学中不可分割的重要组成部分，而从服务对象及与摩擦学系统之间的密切关系来看，磨料磨损又是摩擦学学科中的一个重要分支。由于磨料磨损问题的复杂性，其无论是在材料科学中还是在摩擦学学科中，都还是比较年轻和远不够成熟的领域。世界上对材料磨损进行广泛和深入的研究，仅始于电子显微镜及各种表面分析技术开始成为商品的20世纪60年代后期，到现在不过五十余年的历史。目前磨料磨损理论的发展尚处于不成熟的阶段，对磨料磨损机理的研究也不够深入和全面。所以，对磨料磨损理论的研究，有助于提高人们对磨损这一复杂现象的正确认识，有助于改善摩擦学设计中磨损理论方面的基础薄弱局面。 关于磨料磨损的分类，有不同的方法。较早阶段，在1961年，Avery[7-9]根据耐磨部件磨损时的应力情况，将磨料磨损分为以下三类。 (1)凿削磨损：它通过从金属表面上削除大块颗粒，在磨损表面产生严重的凿削沟。凿削磨损是指，在一个较大范围内存在高的应力；并在实际使用中还带有一定的冲击载荷。它很像是用切削工具或砂轮来进行切削加工。挖掘机的斗齿和颚式破碎机的颚板是凿削式磨料磨损的典型例子。 (2)高应力磨损：发生于使磨料不断碎化的零件表面上。这类磨损可被认为是，磨料接触处存在集中压应力，并使金属表面上的韧性相发生塑性流变及疲劳，而硬性相则产生断裂，说明材料所受应力已超过磨料的破碎强度。磨料的破碎在两个表面间进行，即磨料被夹在两个表面间，本身被碾碎，同时对零件表面产生磨损。这类磨损的典型例子是研磨机的磨球和衬板。 (3)低应力或冲蚀磨损：在金属表面产生轻微擦伤的磨损形式，磨料颗粒上所承载的应力不超过磨料的压碎强度。冲蚀(erosion)磨损则是指当松散的磨料以一定的速度和动量冲击一个表面时所产生的磨损。冲蚀磨损是物料输送中常见的一种磨损形式，它往往导致输送过流部件产生非常严重的磨损，后来学者将此类磨损单独列出来进行专门研究。 后来，Burwell[10]根据磨损时磨料的参与形式将磨料磨损分为二体磨料磨损和三体磨料磨损。他首次定义了二体磨料磨损：在两个相互做摩擦运动的表面中，硬表面划伤软表面，引起软表面磨损；以及三体磨料磨损：硬表面是第三个物体(常被称作第三体)，通常是小的砂砾或磨料，它陷入两个表面之间，并且比被磨的一个或两个表面要硬，而引起一个或两个表面的磨损。这一分类比 Avery 的分类方法更容易进行判定。在磨损系统中，如果参加的组元只有两个，即被磨表面和磨料(或硬的凸起物)，就是二体磨料磨损；如果参加的组元有三个，即两个被磨表面和磨料，便是三体磨损。 Misra 和 Finnie[11]在1980年，对磨料磨损的分类方法又进一步做了更明确的表述。他们认为：二体磨料磨损是当一个粗糙表面或固定的磨料滑过另一表面而造成材料去除时所发生的磨损；在三体磨损中，磨料是松散的，相互间可以做相对运动，当它们滑过磨损表面时，又有可能发生转动。他们还提出，在许多实际场合，三体磨料磨损并不一定需要两个表面，可能只需要一个表面与磨料接触就够了；于是又可以将三体磨料磨损进一步划分为闭式三体磨损(有两个表面参与的磨损)和开式三体磨损(仅有一个表面参与的磨损)。他们将 Avery 定义的三体磨损划分到开式三体磨损中。 1998年，Gates[12]又认为，应根据磨损中应力大小和磨料自由运动与否来划分磨料磨损。实际上，磨料的运动状态是受磨损系统影响的，当系统参数或外界条件改变时，磨料运动也会相应地发生改变。比如，在闭式三体磨料磨损中，随着外界施加的正载荷的减小，夹在两表面间磨料的数量、厚度等均会增加。这样，闭式三体磨料磨损自然地会向开式三体磨料磨损转化。即使两运动表面间磨料的厚度及数量在统计意义上保持不变，但如果两表面硬度、硬度比、磨料外形发生改变，也会使磨料的运动状态发生相应的改变。本书的重要学术观点就是从磨料运动状态出发，阐述磨料磨损的规律的。三体磨料磨损中磨料的运动状态，后面将会在第5章详细进行论述，可认为，三体磨料磨损中，当大多数磨料嵌入另一个较软表面时，磨损中二体磨料磨损的比例就增加了；如果假设全部磨料均嵌入较软表面时，三体磨料磨损就成为二体磨料磨损。因此，二体磨料磨损仅是三体磨料磨损的一个特例。 橡胶轮磨损试验中，材料的磨损方式，属于三体磨料磨损，但其中滑动磨料占多数，因此，是较接近二体磨料磨损的一种磨损形式。另一种是十几年前较流行的，所谓微尺度的“球–坑(ball cratering)”磨料磨损试验，其被磨表面磨痕往往结合了划痕(二体磨料磨损)和塑变压痕(三体磨料磨损)的混合形貌，当试验条件或材料改变时，二体磨料磨损和三体磨料磨损又会相互进行转化。所以，看起来比较确定的磨损分类方法，在一些条件下又会变得不确定了，这充分体现了磨料磨损过程的复杂性。 本书中，方便起见，仍沿用传统的二体磨料磨损和三体磨料磨损分类方法，对磨料磨损过程进行阐述。无论怎样分类，磨料磨损过程的物理本质都是不变的，也不影响我们对问题的讨论。 1.2 人类运用和抵抗磨料磨损的简史 **个被摩擦学家记载的例子是，公元前2400年，古埃及一个叫塞加拉的村庄为一座陵墓运输一座叫“泰(Ti)”的雕像，质量约60 t。为避免磨损和减小摩擦，当时用了172名工匠来拉[13]。他们将雕像放置在木橇上，木橇下面也放上木块，并在木橇下面浇上水或油作为润滑剂，成功地实现了雕像的远距离运送(图1-1)。 图1-1 古埃及工匠采用木橇加润滑剂的方法运送雕像[13] 图(b)为图(a)放大部分 如果运用经典摩擦定律来计算一下总的摩擦系数，则 于是，在不加水润滑的情况下，摩擦系数为0.23；如果加水润滑，摩擦系数将降低至0.20。如按上式估算，加水润滑后，工匠人数可减少至169人。 再往后，到公元前2世纪，古埃及和西亚底格里斯河流域的古国亚述的工匠们，使用木橇搬运巨型石雕。不同的是，木橇下的木块换成了木辊，使滑动摩擦转变成滚动摩擦，摩擦系数得到进一步降低(图1-2)。 图1-2 古埃及和亚述的工匠们用圆木辊代替木块搬运石雕[13] 若木头的滚动摩擦系数按0.07计算，则**个例子所用的工匠人数可约减少至52人，节省人力的效果非常明显，说明在当时历史情况下有较大的进步。以上两例虽然是人类减少摩擦的历史记载，但减少摩擦的同时，同样减轻了木料的磨料磨损。可想而知，如若将木撬直接放在土砂砾上，除摩擦增大外，滑动木撬的磨损相比滚动木撬也应该是非常严重的。 其实早在公元前3500年，轮子就在美索不达米亚(现属伊拉克)，即底格里斯河与幼发拉底河之间的陆地上使用了。轮子**次用在双轮运货马车上来运输笨重货物；轮子还用在双轮马拉战车上，成为古埃及人和赫梯人(来自于现土耳其地区)所偏爱的军用运输工具。中国古代使用轮子的历史*早大约在新石器时代的晚期(约为公元前5000年)，至青铜器时代的早期(约为公元前2000年)。据历史记载，中国也是*早使用车的国家之一，我国的车发明于轩辕黄帝时代(约为公元前2698至公元前2599年)，当时的薛部落以造车闻名于世。《左传》说，薛部落的奚仲担任夏朝(约公元前21世纪至公元前17世纪)的“车正”官职。《墨子》、《荀子》和《吕氏春秋》都记述了奚仲造车。汉安帝建光元年(121年)许慎著《说文解字》中也记载，“车，舆轮之总名，夏后时奚仲所造。”《路史》卷七《前纪七》上同样也记录道：“轩辕氏，作于空桑之北，绍物开智，见转风之蓬不己者，于是作制乘车，柜轮璞较，横木为轩，直木为辕，以尊太上，故号曰轩辕氏。”中国*古老的文字甲骨文、金文和陶文中，均有“车”字出现。在殷墟(今安阳市殷都区小屯村)的发掘中，曾发现一辆四匹马的战车遗迹，说明早在殷代前就有车了。 西晋崔豹所著《古今注》及东晋虞喜著《志林》等古籍传说，黄帝与蚩尤作战时，蚩尤作大雾，黄帝造指南车为士兵领路。指南车(司南车)亦为中国古代对人类文明的一大贡献(图1-3)，它采用齿轮传动机构巧妙地实现了指南的目的。Dudley[14]在分析了一些文献记载后，认为中国的指南车发明于公元前2500年左右。到夏朝晚期，中国进入了轮子时代(图1-4)，并因此而引发了汤武革命。 秦始皇统一中国后，实行了“车同轨”，对车辆制造的技术和工艺提出了更高的要求。秦始皇五次大规模巡游，主要的交通工具就是马车。至今我们还可以从秦朝留下的兵马俑中，看到当时的战车、辇车等实物，看到与真人真马几乎等高的人物与马匹形象。从秦始皇陵兵马俑坑中，还出土了两辆大型彩绘铜车马(图1-5)，其大小为真车真马的1/2。一号车为立车，即立乘之前导车，长为2.25 m，高为1.52 m；单辕双轮，套驾四马，即两骖两服；车舆呈长方形，车上置一圆形铜伞，伞下立一御马官俑，双手执辔；舆内有铜方壶、弓、弩、镞、盾等；四匹铜马均饰金银络头；鞍具上有编号文字29处，共49字，均为小篆体。二号车为安车，即坐乘之轿形车；车厢分前后两室，前室为驾驶室，内有一跽坐的御马官俑，腰际佩剑，执辔前视；后室为乘主坐席；车厢上有椭圆形车盖；车亦单辕双轮，前驾四匹铜马。这些珍贵文物，完全模拟实物制成，是前所未有的考古发现，反映了我国2000多年前精湛的马车制造技艺。 图1-3 中国发明的指南车(公元前255年[1，13]) 图1-4 中国*早使用轮车始于夏朝晚期