材料磨損過程中產生的電位變化行為初探
摘 要：分別對調質、淬火狀態的45鋼、水韌處理及鑄態的高錳鋼進行了試驗。結果表明與摩擦和材料表面塑性流變對應的低應力環境中試樣電位隨摩擦線速度增加而平穩上升，電位高低與材料組織、狀態有關，而在與鑿削和撕裂對應的高應力環境中該電位則呈鋸齒狀起伏。對此進行了理論解釋。由此提出了一種動態研究磨損過程及機理的新方法。?關鍵詞：磨損；表面電位；磨損試驗
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，磨損試驗方法則是影響新型耐磨材料研制及磨損機理研究的重要因素。迄今為止，人們針對不同的磨損過程設計了各種不同的磨損試驗方法，然而歸納起來都是通過測量摩擦負荷作用下，材料長度、面積、體積或質量的變化來反映材料的磨損量［1］。這些方法都存在一個共同的不足，即只能通過材料磨損前后的狀態（初態和終態）來描述材料的磨損情況，而不能動態反映材料在磨損過程中的狀態變化行為。由于材料在摩擦磨損過程中其電位將發生改變，并且隨材料組織狀態不同、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動速度不同，材料上的電位都會產生相應的變化。因而通過采集材料磨損過程中的電位變化信息，則可能動態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的關聯性，能動態反映出材料被磨損時表面狀態的變化。?
1 試驗方法及結果?
分別選擇調質和淬火態的45鋼、鑄態及經水韌處理的高錳鋼為試驗材料，試樣尺寸Φ10×20，磨損試驗在ML－10型磨損試驗機上進行。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，試驗中每次更換試樣都相應地更換砂布（紙），以保證試驗條件的等同性。試驗裝置如圖1，托架直徑300mm，轉速90轉/分，試驗過程中試樣在砂布（紙）上往復運動，摩擦線速度連續變大或變小。圖2～5分別是線速度由小增大時，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 固體表面受摩擦時能夠起電是眾所周知的事實，現代固體理論認為，由于表面態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延伸～2A0的距離［4］。當表面受到摩擦或產生流變的急劇變形過程中，材料表面容易失去電子而產生正電位。此外，當表層原子（幾個A0的范圍）在摩擦過程中被剝離時，由于表面電子密度較高因而表層剝離亦將使電位升高。這就導致了在低應力摩擦環境中以及摩擦磨損的結果主要使表面產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。在大應力磨料磨損環境中，材料的磨損伴隨著鑿削，疲勞龜裂和撕裂，這時從基體脫離的磨屑尺寸已足夠大可以認為是電中性的，磨屑的形成和剝離可能在很短的間內完成，因此這種磨屑的產生將會使電位產生起伏變化。于是，通過在磨損過程中采集試樣電位變化的信息，就能根據電位變化的規律動態地了解和推測磨面發生的過程，為深入研究磨損機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. 運動臂；6. 毫伏計
圖2 調質狀態45鋼試樣磨損過程中電位隨摩擦線速度遞增時的變化趨勢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45鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時的變化趨勢?
a. 500號砂紙；b. 320號砂紙；c. 100號砂布；d. 32號砂布
圖4 水韌處理狀態高錳鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時的變化趨勢?
a.500號砂紙；b.320號砂紙；c.100號砂布；d.32號砂布
圖5 鑄態高錳鋼磨損過程中表面電位隨摩擦線速度遞增時的變化趨勢?
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表明當用500號和320號砂紙作為對磨材料時，各試樣的電位都趨于隨摩擦速度增加而平穩上升，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個接觸點，試樣與磨料的每個接觸點上就只能分配到很低的應力，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生塑性流變，這時電位變化就表現得相對穩定，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，因而在磨損過程中顯現出更高的電位值。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個接觸點，分配在試樣表面每一接觸區域的應力明顯增大，試樣表層被切削和撕裂形成相對較大磨屑的機率增加，由此造成試樣電位的起伏變化。此外由于實際接觸區域減小，表現出的電位值亦明顯降低。上述結果表明材料磨損過程中磨面環境的變化能夠較靈敏地通過試樣上的電位變化得到及時反映。?
2.3 不同材質及狀態材料磨損時的電位變化規律?
由圖2～5可見當磨料粒度較細，磨損應力較低時，各試樣的電位變化趨勢相近，這就提示了此時各試樣受磨損的機制相近，淬火態的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的500號砂紙的磨損中表現最明顯。隨磨料粒度增加試樣磨損中的電位值出現起伏，其中45鋼在與100號、32號砂布的磨損中，隨摩擦速度增加，電位值表現出下降趨勢，調質態的45鋼與3號砂布磨損中，電位出現較大幅度振蕩，提示試樣表面出現強烈形變和撕裂，而淬火態45鋼在高速磨損中出現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。與調質態和淬火態45鋼明顯不同的是水韌處理和鑄態的高錳鋼試樣在與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系起來，反映了材料在較高應力磨損下磨屑形成前較持久的形變硬化過程，同時也反映了這種加工硬化能力需要在較高的應力環境中才有良好表現，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較之鑄態具有更均勻致密的組織，從對1號砂布的磨損結果看水韌處理的高錳鋼試樣保持了更平穩的電位上升趨勢。所有這些都說明磨損中試樣表現出的電位變化與材料組織狀態有著緊密聯系，并動態反映了材料磨損的微觀過程。?
3 結 論?
3.1鋼鐵材料磨損試驗中可以產生能被檢測到的電位變化信號，由此可動態研究材料的磨損過程及機理。?
3.2材料磨損過程中，試樣產生的電位變化趨勢隨磨料粒度及所受應力水平的變化而變化，細粒度磨料低應力水平下電位隨摩擦速度增加而平緩上升，粗顆粒磨料較高應力水平下電位變化出現起伏。?
3.3材料組織及狀態的變化對磨損試樣的電位變化有明顯影響，對100號、32號砂布的磨損中，調質態和淬火態45鋼出現電位起伏并隨摩擦速度增加而呈下降趨勢，同樣情形下高錳鋼試樣電位則隨摩擦速度增加而呈上升趨勢，分別提示了各試樣磨損中磨屑形成所對應的撕裂、脆性崩裂、及充分形變硬化后成屑等不同磨損機理。?
參考文獻
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［2］ D.S.Boudreaux,H.J.Juretschke.Electronic structure of surfaces: introduction and theoretical. Honda Memorial series on materials science,No.1,Structure and properties of metal surfaces［M］.Maruzen company,LTD.Tokyo,1973.?
［3］ Neil W.Ashcroft,N.David Mermin,Solid state physics［M］.Holt,Rinehart and Winston,New York,1976,354-371.?
［4］ 聞立時.固體材料界面研究的物理基礎［M］.
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