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硬材料为什么能被软材料磨损的原因
作者:管理员    发布于:2019-12-02 13:14:47    文字:【】【】【

通常我们认为软材料无法划伤硬材料,源于我们认为材料的硬度与其屈服强度成正比例关系,两者一旦接触,软材料先发生塑性形变,故而无法使硬材料屈服。但是,这是一个在非常理想的条件下的论断,仅仅考虑材料的宏观性能,而材料表面的摩擦耗损,涉及到复杂的微观机理,远远是这种单纯的硬度的比较无法概括的,尤其是题目中所提到的合金和铝制品之间的硬度差距,也仅仅一百多个HV而已。以下我分析一下造成这种表面耗损可能的原因。


首先,耗损(wear)本身涉及很多种微观机理,其中,磨损(abrasive wear)应该是最贴近题目中所描述的情况的。只要材料间摩擦系数不为零,则说明材料表面是粗糙不平的,而粗糙不平的材料表面在微观层面会导致材料间实际的接触面积极小。如下图所示的二体磨料磨损的方式,小面积的接触往往会导致局部的巨大的应力,即便软材料发生了塑性形变,实际作用于硬材料的应力也会远远超过其屈服极限,从而导致磨损。另外,材料磨损产生的残骸颗粒(debris),作用于两种材料之间,往往会造成进一步的磨损,这就是下图中的三体磨料磨损所展示的。这种情况下使硬材料磨损的反而是硬材料自己,那么这种磨损的积累就不难理解了。

除了磨损,像这种工具钢在服役过程中必须要考虑的就是冲量,尤其在螺纹的拧紧过程中,材料表面凸起接触的并非静态的作用力,而是带有动量的冲击力(impact),材料受到的实际应力其实也会大大增加。急速的流水尚能侵蚀坚硬的石头,何况是本身就很坚硬的金属。


除此之外,反复多次的作用力,还会导致材料的疲劳。哪怕在一次作用过程中硬材料没有发生宏观屈服,微观屈服也无法避免,只要作用次数足够多,疲劳仍然会导致内部的裂纹的萌生和扩展。


最后,材料的硬度和耐磨性之间是否直接相关还是学界一个存在争议的话题。因为硬度是一个非常宏观的量,而一个部件不可能在每个地方都拥有相同的力学性能,软肋总是存在的。更何况,很多材料的宏观硬度,是微观软相和硬相的加权平均值,硬度500 HV的基体分布着硬度1200 HV的颗粒,平均硬度能达到800 HV多,这种情况下,一个硬度600 HV的小颗粒就能轻易使基体剥落,那发生磨损也就不奇怪了。


脚注信息


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