材料沖蝕磨損影響因素分析

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 王 凱

沖蝕磨損是指金屬表面與流體之間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致金屬表面損壞的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象廣泛存在于很多行業(yè)中，是導(dǎo)致設(shè)備損壞的一個(gè)重要原因。本文，筆者總結(jié)了影響材料沖蝕磨損的主要因素，以供參考。

一、入射角的影響

入射角也叫攻角或沖擊角，是指靶材表面與入射粒子軌跡之間的夾角。流體作用于靶材表面時(shí)，同時(shí)具有水平和垂直分量，水平分量會(huì)對(duì)靶材造成切削損傷，垂直分量會(huì)對(duì)靶材造成撞擊或沖擊損傷。研究表明，韌性材料和脆性材料在沖蝕過程中隨沖擊角的變化表現(xiàn)出不同的沖蝕規(guī)律。塑性材料在沖擊角為15°～ 30°時(shí)出現(xiàn)最大沖蝕率，脆性材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在沖擊角為90°時(shí)，其他材料的沖蝕率則介于塑性材料和脆性材料之間。沖蝕率和沖擊角之間的關(guān)系可用式（1）表示。

式（1）中，ε為沖蝕率，n，A*，B*為常數(shù)。當(dāng)材料全部為脆性磨損時(shí)，則A*＝0；當(dāng)材料全部是韌性磨損時(shí)，則B*＝0。當(dāng)α＞α0時(shí)，α＝π/2α0。當(dāng)沖擊角α＝0°時(shí)，主要是韌性磨損；沖擊角度α＞0°時(shí)，主要是脆性磨損；改變式中A*，B*值便可滿足要求。

二、 速度的影響

粒子只有以大于某一速度作用在材料上面，才會(huì)發(fā)生沖蝕磨損，這個(gè)速度就是引發(fā)沖蝕磨損的最小速度。粒子速度小于這個(gè)最小速度時(shí)，粒子和材料之間僅發(fā)生彈性碰撞；粒子大于這個(gè)最小速度時(shí)，則粒子沖擊速度與沖蝕率的關(guān)系可用式（2）表達(dá)。

式（2）中，V為粒子沖擊速度，n為常數(shù)。一般材料在沖擊角較小時(shí)，n為2.2～2.4，沖擊角為90°時(shí)，n為2.55；陶瓷材料的n值在3左右。資料表明，粒子的沖擊速度和材料的最大沖擊角之間不存在一定關(guān)系，即粒子沖擊速度對(duì)材料的沖蝕磨損機(jī)制無影響。

三、粒子粒徑的影響

當(dāng)粒子粒徑在某一范圍內(nèi)時(shí)，塑性材料的沖蝕率和粒徑呈線性關(guān)系，但當(dāng)粒徑增加到一個(gè)峰值（M）時(shí)，塑性材料的沖蝕率則會(huì)保持穩(wěn)定不再發(fā)生變化，M值會(huì)隨著沖蝕磨損工況而發(fā)生變化，不同材料的M值也不相同。這種現(xiàn)象叫做作“粒度效應(yīng)”。有關(guān)粒度效應(yīng)的形成有很多種解釋，主要包括應(yīng)變率的影響、表面晶粒尺寸的影響、氧化層的影響、變形區(qū)大小的影響等。但目前較為普遍的一種解釋為：材料基體被一層很硬的薄層包裹著，當(dāng)粒子粒徑很小時(shí)，粒子無法穿透這層薄層，當(dāng)粒徑大于M值時(shí)，粒子就能穿過這層硬質(zhì)層直接作用在材料基體上，從而發(fā)生沖蝕磨損。

但當(dāng)材料為脆性材料時(shí)，其沖蝕率會(huì)隨著粒徑的增大而一直增大。

在實(shí)際工況中，流體中有很多粒子對(duì)材料進(jìn)行沖擊，不可能是一個(gè)粒子，因此，粒子在流場(chǎng)中的分布也相當(dāng)重要。有試驗(yàn)證明，粒子分布對(duì)脆性材料的沖蝕率有明顯影響，但對(duì)塑性材料的影響目前還沒有研究。

四、粒子形狀的影響

一般來說，多角粒子比球狀圓滑粒子的沖蝕破壞能力要強(qiáng)。在沖擊角為45°的情況下，對(duì)于同一種材料，圓滑粒子的沖蝕能力約為多角粒子的1/4。在沖蝕磨損材料時(shí)，這兩種粒子的表現(xiàn)行為也不相同：多角粒子是犁削方式，球狀圓滑粒子為切削方式。多角粒子的沖蝕率主要其受寬長(zhǎng)比和周長(zhǎng)的平方與面積之比的影響。

五、粒子硬度的影響

應(yīng)根據(jù)粒子硬度和材料表面硬度之比（HP/Ht）來判斷粒子硬度對(duì)沖蝕磨損的影響。根據(jù)比值，可將塑性材料的沖蝕率分為兩種情況：比值大于1.2時(shí)，沖蝕率隨比值的增大而增大，增大到一定程度后趨于飽和；比值小于1.2時(shí)，沖蝕率隨比值的減小而減小。研究表明，粒子硬度和材料表面硬度比為1時(shí)，材料沖蝕率會(huì)大幅度減??；粒子硬度小于材料硬度時(shí)，粒子在沖擊材料時(shí)會(huì)發(fā)生破碎。

六、材料硬度和強(qiáng)度的影響

材料硬度對(duì)沖蝕率的影響很大，但并不是材料硬度越高，其抗沖蝕能力就越強(qiáng)，如陶瓷材料的硬度非常高，但它的抗沖蝕性能就較低，只有在粒子動(dòng)能很小時(shí)，陶瓷材料才表現(xiàn)出較好的抗沖蝕性能。

Manish Roy等人對(duì)單相金屬、多相金屬以及合金分別進(jìn)行硬化以后，對(duì)它們進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)，最終得出以下結(jié)論：在退火條件下，純金屬的沖蝕率會(huì)隨著硬度的增加而增加；其他硬化方法，如細(xì)化晶粒、固溶、冷加工等，都不能提高純金屬材料的抗沖蝕能力；馬氏體硬化、沉淀硬化、彌散強(qiáng)化等方法也不能明顯提高多相合金的抗沖蝕性。

沖蝕磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，不能按單一因素去考慮各種材料的抗沖蝕性能。生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮內(nèi)外因素，并結(jié)合實(shí)際工況，通過模擬實(shí)際環(huán)境，最終確定所需材料或者開發(fā)出更耐沖蝕的材料。