冲击磨料磨损

物理学名词

冲击磨料磨损是工程中的一种特殊磨损方式，是动载下的三体磨料磨损，是冲击与滑动摩擦磨损等过程的复合。

主要特点

通过与滑动磨料磨损进入比较，可分析冲击磨料磨损过程具有如下特点：（1）法向载荷为能量载荷，不同于一般的静载荷和交变载荷，加载和卸载过程是瞬间完成。（2）磨粒对摩擦副的作用具有凿削( 冲击力大) 和碾碎( 应力超过磨粒压溃强度) 式磨料磨损的双重特点，工况恶劣。（3）在冲击瞬间，伴随有快速能量转换，从能量角度看，冲击动能Ed 可能转变为如下几部分：(a) 塑性变形能E s，(b) 弹性波动能E b，(c) 磨粒破碎所能消耗的能E k，(d ) 热能Er ，(e) 其它能Eo，如声能等。即:

Ed= Es+ Eb+ Ek+ Er+ Eo

在相同的试验条件下，Ek、Eo 相对稳定，不随摩擦副材料而变化。冲击动能Ed将主要在Es、E b、Er 中分配。对于塑性好、硬度低的材料，Es 很大，Eb 则相对较小，这时主要表现为材料表面的塑性破坏，对于硬度高，脆性大的材料，Es 较小，E b 则相对较大，这时弹性波动能将主要促使材料内部裂纹的萌生和发展，宏观上表现为疲劳剥落和脆性脱落。

试验及设备

目前，对于干态冲击磨料磨损试验而言，能够进行高中低冲击功可调节的冲击磨料磨损试验设备仅有MLD-10动载磨料磨损试验机。各机构根据各自的研究特点，在此基础上有所改装。根据广东省耐磨及特种功能材料工程技术研究开发中心提供的相关资料可知，冲击磨料磨损试验机的工作原理为：上试样安装在冲锤上，与其构成摩擦副的下试样安装固定在下中轴上随搅拌叶片一起转到，实验进行时，冲锤被提到对应冲击功设定的高度，随后自由下落，冲击下试样，与此同时石英砂被搅拌叶片扬起进入上下试样之间。上试样除反复冲撞旋转中的被磨料（石英砂）覆盖的下试样外，在每个冲击周期内，上、下试样与磨料三者间还发生一段时间的滑动摩擦磨损接触，形成三体磨料磨损。一段时间后，上下试样都形成磨料磨损，产生失重，即试样的磨损量。

磨损机理

Goodwin等人通过实验观察认为，当固体颗粒以较大冲击角冲击材料表面时，主要发生两种现象，一是材料表面发生塑性变形，二是磨料颗粒在冲撞中可能发生破碎。材料的薄弱部分受到尖锐的碎块作用发生剥离，即“次生损伤”。而“次生损伤”是材料体积损失的重要原因。

Sheldon和Finnie通过冲刷实验研究显示，当冲击磨料颗粒的大小和冲刷速度在一定范围内时，典型的高硬脆性材料也可以产生塑性变形，而呈现柔韧材料的磨损特征。

Engel曾认为，在冲击磨料磨损中，材料表面所产生的疲劳作用并非占主要地位。但有学者提出了基于疲劳破坏的磨损理论，并认为，材料存在塑性流动时，也会因金属疲劳破坏而剥落金属。Stauffer认为磨料磨损的原因之一也可能是交变载荷超过材料疲劳极限，而在材料表面发生表层脱落或局部破坏。

Tilly在实验中发现，对某些质地较软的金属和塑料(如镁和尼龙)，在近于垂直冲击下，冲击磨料的碎屑可能嵌入材料表面。

川井正治通过试样的磨损形貌观察发现，在高速冲击时，金属表面可能产生局部高温而发生局部熔化现象，如果磨料有相对移动，则这部分软化的金属将很容易被切削掉。

综合科研数据可以得出，冲击磨料磨损机制一般可概括为两大类：一类是因磨料引起的切削和凿削磨损，另一类是因冲击变形导致的疲劳磨损。尤其对于初始硬度较高的材料而言，疲劳磨损是重要的机制，它不仅作为独立的机制引起材料的剥落、磨损，并且与切削、凿削机制起交互作用，促进切削、凿削机制的发生而加速材料的磨料磨损。

科研发展趋势

磨料磨损占到材料磨损消耗的50%以上，而冲击磨料磨损又是其中极为重要的部分。磨损速度高和材料消耗大已成为工程机械业发展受到制约的瓶颈，已成为国内外行业发展的共性关键技术难题。现在的具体情况是国内外工程机械工况尚在选用传统耐磨高锰钢或普通耐磨低合金钢铲齿，使用寿命较低，迫切需要新型高硬度、高韧性和高耐磨性低合金钢铲齿，替换传统材料。

突破传统高锰钢和普通耐磨低合金钢，已成为行业共性关键技术难题。研制新一代高硬度/高韧性/高耐磨性低合金钢材料已成国内外行业共识和当前迫切任务。

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