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材料磨損過程中產(chǎn)生的電位變化行為初探 2
摘要：分別對調(diào)質(zhì)、淬火狀態(tài)的45鋼、水韌處理及鑄態(tài)的高錳鋼進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明與摩擦和材料表面塑性流變對應(yīng)的低應(yīng)力環(huán)境中試樣電位隨摩擦線速度增加而平穩(wěn)上升，電位高低與材料組織、狀態(tài)有關(guān)，而在與鑿削和撕裂對應(yīng)的高應(yīng)力環(huán)境中該電位則呈鋸齒狀起伏。對此進(jìn)行了理論解釋。由此提出了一種動(dòng)態(tài)研究磨損過程及機(jī)理的新方法。?關(guān)鍵詞：磨損；表面電位；磨損試驗(yàn)
0前言?
磨損是鋼鐵材料失效最主要的方式之一，世界各國都為材料磨損研究傾注了大量人力物力，磨損試驗(yàn)方法則是影響新型耐磨材料研制及磨損機(jī)理研究的重要因素。迄今為止，人們針對不同的磨損過程設(shè)計(jì)了各種不同的磨損試驗(yàn)方法，然而歸納起來都是通過測量摩擦負(fù)荷作用下，材料長度、面積、體積或質(zhì)量的變化來反映材料的磨損量［1］。這些方法都存在一個(gè)共同的不足，即只能通過材料磨損前后的狀態(tài)（初態(tài)和終態(tài)）來描述材料的磨損情況，而不能動(dòng)態(tài)反映材料在磨損過程中的狀態(tài)變化行為。由于材料在摩擦磨損過程中其電位將發(fā)生改變，并且隨材料組織狀態(tài)不同、磨料粒度不同、摩擦過程中的載荷不同、以及摩擦件之間的相對運(yùn)動(dòng)速度不同，材料上的電位都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因而通過采集材料磨損過程中的電位變化信息，則可能動(dòng)態(tài)地描述材料的磨損過程，為磨損過程的研究提供一種更直接的手段。本文研究表明磨損過程中，試樣上電位變化與材料的組織狀況、磨料粒度、摩擦速度等因素有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，能動(dòng)態(tài)反映出材料被磨損時(shí)表面狀態(tài)的變化。?
1試驗(yàn)方法及結(jié)果?
分別選擇調(diào)質(zhì)和淬火態(tài)的45鋼、鑄態(tài)及經(jīng)水韌處理的高錳鋼為試驗(yàn)材料，試樣尺寸Φ10×20，磨損試驗(yàn)在ML－10型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣上加載的砝碼重量為500g，對磨材料分別選擇32號、100號氧化鋁砂布及320號、500號綠色碳化硅砂紙，試驗(yàn)中每次更換試樣都相應(yīng)地更換砂布（紙），以保證試驗(yàn)條件的等同性。試驗(yàn)裝置如圖1，托架直徑300mm，轉(zhuǎn)速90轉(zhuǎn)/分，試驗(yàn)過程中試樣在砂布（紙）上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，摩擦線速度連續(xù)變大或變小。圖2～5分別是線速度由小增大時(shí)，上述4種材料的試樣在不同砂布（紙）上磨損過程中電位的變化情況。
2討論?
2.1摩擦磨損與材料電位
固體表面受摩擦?xí)r能夠起電是眾所周知的事實(shí)，現(xiàn)代固體理論認(rèn)為，由于表面態(tài)的形成固體表面具有較高的電子密度［2，3］?，在真空中固體表面電子能夠向外側(cè)延伸～2A0的距離［4］。當(dāng)表面受到摩擦或產(chǎn)生流變的急劇變形過程中，材料表面容易失去電子而產(chǎn)生正電位。此外，當(dāng)表層原子（幾個(gè)A0的范圍）在摩擦過程中被剝離時(shí)，由于表面電子密度較高因而表層剝離亦將使電位升高。這就導(dǎo)致了在低應(yīng)力摩擦環(huán)境中以及摩擦磨損的結(jié)果主要使表面產(chǎn)生塑性流變的情況下，與周圍絕緣的金屬試樣的電位升高，并且隨摩擦速度增加電位增加。在大應(yīng)力磨料磨損環(huán)境中，材料的磨損伴隨著鑿削，疲勞龜裂和撕裂，這時(shí)從基體脫離的磨屑尺寸已足夠大可以認(rèn)為是電中性的，磨屑的形成和剝離可能在很短的間內(nèi)完成，因此這種磨屑的產(chǎn)生將會(huì)使電位產(chǎn)生起伏變化。于是，通過在磨損過程中采集試樣電位變化的信息，就能根據(jù)電位變化的規(guī)律動(dòng)態(tài)地了解和推測磨面發(fā)生的過程，為深入研究磨損機(jī)理提供一條新的途徑。
圖1磨損裝置示意圖?
1.托架；2.砂布（紙）；3.試樣；4.絕緣保持架；5.運(yùn)動(dòng)臂；6.毫伏計(jì)
圖2調(diào)質(zhì)狀態(tài)45鋼試樣磨損過程中電位隨摩擦線速度遞增時(shí)的變化趨勢a.500號砂紙；b.320號砂紙；c.100號砂布；d.32號砂布
圖3淬火狀態(tài)45鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時(shí)的變化趨勢?
a.500號砂紙；b.320號砂紙；c.100號砂布；d.32號砂布
圖4水韌處理狀態(tài)高錳鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時(shí)的變化趨勢?
a.500號砂紙；b.320號砂紙；c.100號砂布；d.32號砂布
圖5鑄態(tài)高錳鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時(shí)的變化趨勢?
a.500號砂紙；b.320號砂紙；c.100號砂布；d.32號砂布
2.2磨料粒度對電位的影響?
圖2～5表明當(dāng)用500號和320號砂紙作為對磨材料時(shí)，各試樣的電位都趨于隨摩擦速度增加而平穩(wěn)上升，并且對同一試樣隨磨料粒度增加（從500號到320號）試樣電位變化趨勢相近但電位值降低。由于附著在上述砂紙上的磨料粒度分別為20～50μm，在試樣與砂紙的接觸面上有60～30個(gè)接觸點(diǎn)，試樣與磨料的每個(gè)接觸點(diǎn)上就只能分配到很低的應(yīng)力，磨損過程中純摩擦的成分相對較大，試樣與磨料顆粒接觸的局部也主要產(chǎn)生塑性流變，這時(shí)電位變化就表現(xiàn)得相對穩(wěn)定，500號砂紙較320號砂紙而言在單位接觸面上有更多的接觸點(diǎn)，因而在磨損過程中顯現(xiàn)出更高的電位值。100號和32號砂布上磨料粒度分別為160～300μm，試樣表面與磨料僅有10～5個(gè)接觸點(diǎn)，分配在試樣表面每一接觸區(qū)域的應(yīng)力明顯增大，試樣表層被切削和撕裂形成相對較大磨屑的機(jī)率增加，由此造成試樣電位的起伏變化。此外由于實(shí)際接觸區(qū)域減小，表現(xiàn)出的電位值亦明顯降低。上述結(jié)果表明材料磨損過程中磨面環(huán)境的變化能夠較靈敏地通過試樣上的電位變化得到及時(shí)反映。?
2.3不同材質(zhì)及狀態(tài)材料磨損時(shí)的電位變化規(guī)律?
由圖2～5可見當(dāng)磨料粒度較細(xì)，磨損應(yīng)力較低時(shí)，各試樣的電位變化趨勢相近，這就提示了此時(shí)各試樣受磨損的機(jī)制相近，淬火態(tài)的45鋼硬度高磨損率低，磨損中純摩擦的因素更高，因而電位值高于其他各試樣，并且這種趨勢在與粒度最細(xì)的500號砂紙的磨損中表現(xiàn)最明顯。隨磨料粒度增加試樣磨損中的電位值出現(xiàn)起伏，其中45鋼在與100號、32號砂布的磨損中，隨摩擦速度增加，電位值表現(xiàn)出下降趨勢，調(diào)質(zhì)態(tài)的45鋼與3號砂布磨損中，電位出現(xiàn)較大幅度振蕩，提示試樣表面出現(xiàn)強(qiáng)烈形變和撕裂，而淬火態(tài)45鋼在高速磨損中出現(xiàn)的電位迅速降低的趨勢則提示了形成磨屑的脆性崩裂過程。與調(diào)質(zhì)態(tài)和淬火態(tài)45鋼明顯不同的是水韌處理和鑄態(tài)的高錳鋼試樣在與100號、32號砂布的磨損過程中，隨摩擦速度增加試樣電位都出現(xiàn)了總體上升的趨勢，這可以與這種奧氏體材料良好的加工硬化性能聯(lián)系起來，反映了材料在較高應(yīng)力磨損下磨屑形成前較持久的形變硬化過程，同時(shí)也反映了這種加工硬化能力需要在較高的應(yīng)力環(huán)境中才有良好表現(xiàn)，這與通常使用這種材料的常識是十分吻合的。高錳鋼在水韌處理狀態(tài)較之鑄態(tài)具有更均勻致密的組織，從對1號砂布的磨損結(jié)果看水韌處理的高錳鋼試樣保持了更平穩(wěn)的電位上升趨勢。所有這些都說明磨損中試樣表現(xiàn)出的電位變化與材料組織狀態(tài)有著緊密聯(lián)系，并動(dòng)態(tài)反映了材料磨損的微觀過程。?
3結(jié)論?
3.1鋼鐵材料磨損試驗(yàn)中可以產(chǎn)生能被檢測到的電位變化信號，由此可動(dòng)態(tài)研究材料的磨損過程及機(jī)理。?
3.2材料磨損過程中，試樣產(chǎn)生的電位變化趨勢隨磨料粒度及所受應(yīng)力水平的變化而變化，細(xì)粒度磨料低應(yīng)力水平
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