表达式
K1rav0b
• 对球形磨粒：
a3 m m2
• 对多角形磨粒： a 3.6 m m2
• 对任一形状磨粒：
b 2.4
m
m2
其中
K1
E
0.8
2 b
• E为靶材的弹性模量
• δb为材料的弯曲强度 • r为磨粒的尺寸
• v0为磨粒的速度 • m为材料缺陷分布常数
• 实验表明，几种脆性材料的a和b实验值与理论 值基本一致（如玻璃、Mg O、石墨等）
Q) (V sinα)1/2
M
2Q [V 2cos2α-K1(V sinα-K ) 3/2
Α＞α0
• W = WD + WC • M为冲击磨粒的质量
• V为磨粒的速度；α为冲击角；ε为变形磨损系 数；Q为切削磨损系数；α0为两式相等时的角
度；C、K、K1都为常数 • 该理论设想正确，并得到证实。
• 谢尔登和凯希尔，1972，第一台单颗粒冲蚀磨 损实验机，2.5mm，SiC磨料、钢球、玻璃球， 直接观察到磨痕形貌，冲击坑边缘的“挤出 唇”，并很容易被后冲击的磨粒打掉。
• 磨粒如一把微型刀具，当它划过靶材表面时，
变把材料切除而产生磨损。
• 公式表明：材料的磨损体积与磨粒的质量和速 度的平方（即磨粒的动能）成正比，与靶材的 流动应力成反比，与冲角α成函数关系。
• 实验研究表明：对于延性材料，多角形磨粒，
小冲角的冲蚀磨损，切削模型非常适用；
• 对于不很典型的延性材料（如一般的工程材 料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨 粒），冲角比较大（特别是冲角=90°）的冲 蚀磨损偏差较大。
四、绝热剪切与变形局部化磨损理论
• 哈青斯，1979，9.5mm，钢球，Biblioteka 70m/s，冲击 低碳钢发现变形唇。
• 在一个狭窄的带状区域变形非常严重。 • 高速摄影机研究粒子冲击过程，估算冲蚀时材
料的应变率高达105~107s-1。 • 高应变率导致很高温升。
• 首先是使变形过程绝热化，
• 其次是变形的局部化将形成绝热剪切带。
变形有关。 • 反复冲击产生加工硬化，提高材料的弹性极限，
直到应力超过材料的硬度，形成裂纹。 • 从能量角度出发，推导出变形磨损量WD和切削
磨损量WC；
• WD=M（V sinα-K）2/2ε
2MC(V sinα -K)2× (V sinα）1/2
α＜α0
C(V sinα-K)2
W c= × ( V sinα -
国内外研究工作开展较多，本课程主要介绍气体介 质携带固体磨粒对材料表面的冲蚀磨损。
§1 冲蚀磨损理论
• 影响较大的理论有：
• 延性材料的切削磨损理论 • 脆性材料的断裂磨损理论 • 变形磨损理论 • 绝热剪切与变形局部化磨损理论 • 薄片剥落磨损理论
一、延性材料的切削理论 • 芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型
二、脆性材料的切削理论
• 脆性材料在磨料冲击下几乎不产生变形。 • 芬尼等人根据赫兹应力分析，认为是在缺陷的
地方产生裂纹裂纹不断扩展而形成碎片剥落。 • 当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增加而增
加。当冲角等于90°时，磨损量最大。
模型
• 谢尔登（Sheldon）和芬尼， 1966， • 冲角为90°，脆性材料，冲蚀磨损， • 脆性材料的断裂模型 • 脆性材料（单位重量磨粒）冲蚀磨损量的
冲蚀磨损
概述
冲蚀磨损：是指流体或固体颗粒以一定的速度和角 度对材料表面进行冲击所造成的磨损。
冲蚀磨损可分为：分气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲 蚀及气蚀（根据颗粒及其携带介质的不同） 。
冲蚀磨损现象在生产、生活中普遍存在。造成损失 和危害严重，但也有应用其原理对机器零件表面进 行清理和强化，如喷砂和喷丸等。
• 在这个软的表面层下面，有一个由于材料塑 性变形而产生的加工硬化区。
• 这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层薄 片的形成起促进作用。
• 在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面 形成的薄片将从材料表面上剥落下来。
• 理论得到许多研究者的赞同和证实。
• 是当前延性材料冲蚀磨损中一种比较有前途 的磨损理论。
§2 影响冲蚀磨损的主要因素
一、磨粒的影响 ⒈磨粒硬度的影响 一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数
K H 2.3
⒉磨粒形状的影响
✓ 尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产 生更大的冲蚀磨损；
✓ 圆球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主， 多角形的磨粒冲蚀则以切削为主；
✓ 磨料形状对产生最大磨损的冲角有影响；
• 埃文斯（Evans）研究：
• 脆性材料的冲蚀磨损体积V决定于靶材和磨粒 的性质，表达式与实验吻合很好。
靶材的断裂韧性
靶材的硬度
13 11 19
4
1
Vv0 6 r 3 12 KC 3 H 4
冲蚀速度 磨粒尺寸 磨粒的密度
三、变形磨损理论
• 比特（Bitter），1963，提出： • 冲蚀磨损分为变形磨损与切削磨损； • 90°冲角下的冲蚀磨损是和粒子冲击时靶材的
切削几何模型
α
F P
切削过程中作用在磨 粒上的接触应力
模型
• 模型假设一颗多角形磨粒，质量为m，以一定 速度v，冲角α冲击到靶材的表面。
• 理论分析的靶材的磨损体积：
V K mv2 f
p
f
sin 2 3sin2 18.5
cos2
3
18.5
• m----冲蚀磨粒的质量；v----磨粒的冲蚀速度 • V----靶材的磨损体积；P-----靶材的流动应力 • α-----磨粒的冲击角 ；K-----常数
✓ 延性材料产生最大磨损的冲角约为16~30°； ✓ 但是脆性材料的与磨粒形状关系不大。
• 哈青斯首先把绝热剪切与变形局部化概念引入 冲蚀磨损过程中。
• 证明：钛（哈青斯）、铝（克里帝曼）、铜 （奎迪耳）、材料熔化现象（尤斯特和布朗）、 20钢（中国矿大）、
• 火花现象、熔化的球状磨屑现象（ 272页照片）
• 现在已经得到普遍承认，一些研究者并提出了 相应的数学模型。
五、薄片剥落磨损理论
• 莱维及其同事使用分步冲蚀实验法和单颗粒寻 迹法研究冲蚀磨损的动态过程。
• 发现不论大冲角（如90°）还是小冲角的冲蚀 磨损，由于磨粒的不断冲击，使靶材表面材料 不断受到前推后挤，于是产生小的、薄的、高 度变形的薄片。
• 形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该 表面层由于绝热剪切变形而被加热到（或接近 于）金属的退火温度，形成一个软的表面层。