微切削磨损机制及其形成磨屑的原因分析

在磨料磨损研究中，Robinowicz（1965）以硬磨粒嵌入软材料后，由于切向移动产生微切削作用导出了磨损关系式：

式中 ——纯微切削的磨损率；

θ——硬磨粒顶角；

F_N——法向压力；

H_V——硬度值。

式（8-6）可简化为：

此处，为磨粒磨损的系数。式（6-7）表明与H_V成正比，并呈线性关系。在实际工程合金的磨损试验中，通常H_V高，也高，但有时会偏离线性或者出现不同斜率。与H_V偏离线性，是由于磨料磨损的实际情况并不是纯切削，还有犁沟变形导致的损伤及脆性断裂等形成磨屑。Moore和Swanson（1983）设K_c=K₁K₂K₃，K₁为磨屑形成的总几率，K₂为形成的磨屑占犁沟总体积的比例，K₃是与磨粒形状有关的系数。Zum-Gahr等（1981）导出与犁沟两侧隆起截面积fab的关系式：

式（6-7）形式上与式（6-5）相似，但二者K值不同。

3.疲劳磨损机制

疲劳是材料在循环应力作用下局部发生塑变，通过损伤积累最后导致开裂的过程。在磨损研究中最早是用于分析滚动接触件（滚动轴承、齿轮等）发生点蚀剥落的问题。得到疲劳源位于由赫兹应力引起的最大剪应力或正交剪应力处。载荷P和疲劳寿命N_f关系符合Palmgren经验方程。对点接触为

P³N_f=常数 （6-9）

把载荷P换成赫兹应力，就是目前滚珠轴承的设计及选用依据。在滑动磨损过程中，由于微凸起的接触应力超出弹性极限，所以也会由于有明显塑变而出现低周应变疲劳。Halling（1975）导出磨损率W_f的表达式为

式中 C——常数；

n、r——分别为微凸起的线分布和线尺度（半径）；

ε_f——断裂应变；

H——硬度；

F_N——载荷。

Suh（1973）早先曾观察到亚表层塑变及开裂现象，提出了剥层理论，实质上也是疲劳过程。

清华大学陈南平等（1986）应用疲劳研究中的Manson-Coffin关系来讨论疲劳磨损的问题。对磨料磨损中出现的变形磨屑，认为是应变疲劳产物，得到磨损率为(www.xing528.com)

与Halling表达式近似。对磨损表面无明显塑性变形而出现的剥层等损伤，认为是属于高周疲劳，由σ′_ｆ～H，而有

式中 b——材料常数，多数情况下b≈-0.1。

4.一次加载下的断裂磨损机制

这种情况主要是在脆性材料磨损时发生，当然在含有脆性组成相的工程材料中也可观察到。Horbogen（1975）最早把磨损中的脆性磨屑的形成和断裂韧性联系起来，他从出发，令K值为，ε和ε_f分别为外加应变和断裂应变，这样导出：

式中 k₀、α、β——常数；

n——硬化指数；

K_c——断裂韧性；

E——弹性模量；

σ_y——屈服强度；

F_N——外加载荷。

Moore（1979）则根据Evens等的工作导出：

式中 ——滑行每米的单位面积（mm²）之体积磨损率；

σ——外载（MPa）；

H——硬度（GNm^-2）；

d——磨粒直径（mm）；

K_C——断裂韧性。

然而，材料的断裂韧性虽然与材料内部硬脆相的数量、分布及尺寸大小有关，但K_C表征的是整体材料的性能。而磨损过程中的脆性磨屑的形成并不是整体材料的断裂过程，只是其中硬脆相组成相的脆裂脱落，因此用K_C来表达还是有问题的。实际上当磨损工况变化时，对硬脆相和基体的受力状态、磨损的先后都有影响，因而同一材料在不同工况时耐磨性有不同的表现。