材料磨損過程中產(chǎn)生的電位變化行為初探

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

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