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(tài)的45鋼、水韌處理及鑄態(tài)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(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，而在與鑿削和撕裂對應的高應力環(huán)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(tài)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(tài)（初態(tài)和終態(tài)）來描述材料的磨損情況，而不能動態(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(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的關聯(lián)性，能動態(tài)反映出材料被磨損時表面狀態(tài)的變化。?

1 試驗方法及結果?

分別選擇調質和淬火態(tài)的45鋼、鑄態(tài)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(xù)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(xiàn)代固體理論認為，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(huán)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(huán)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(jù)電位變化的規(guī)律動態(tài)地了解和推測磨面發(fā)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(tài)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(tài)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(tài)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

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