２０１２年９月 第３７卷第９期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐ．２０１２ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．９
ＤＯＩ：１０，３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１２．０９．００９
２０ＣｒＮｉＭｏ冲蚀磨损性能研究
李治垄樊建春张继信詹先觉
（中国石油大学（北京） 北京１０２２４９）
摘要：用自制的冲蚀磨损试验装置对２０ＣｒＮｉＭｏ的冲蚀磨损性能进行研究，揭示冲蚀时间和冲蚀速度对冲蚀磨损量
的影响。借助于电子显微镜（ＳＥＭ），考察单个粒子对试样表面的作用机制，从材料力学和摩擦学的角度，结合３种经 典的冲蚀磨损理论，通过观察分析冲蚀表面的微观形貌，探讨试样表面磨损破坏的形成机制。结果表明，随着冲蚀时间
和冲蚀速度的增加，冲蚀磨损量稳定增加。冲蚀粒子对冲蚀试样表面的作用，取决于撞击粒子的能量的大小。由于不同 粒子的能量大小不同，它所作用的试样的表面应力处于不同的水平，当应力处于弹性状态时，主要是摩擦机制起作用；
当应力在屈服极限和强度极限之间时，微切削机制起作用；当应力超过强度极限时，则发生剥落现象。 关键词：冲蚀磨损；冲蚀速度；２０ＣｒＮｉＭｏ
中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１２）９—０３７—４
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｅｒｏｓｉｖｅ Ｗｅａｒ ０ｆ ２０ ＣｒＮｉＭｏ
Ｌｉ Ｚｈｉｋｕｎ Ｆａｎ Ｊｉａｎｃｈｕｎ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｘｉｎ Ｚｈａｎ Ｘｉａｎｉｕｅ
（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｌ＂ｏｆ ２０ＣｒＮｉＭｏ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｅｌｆ－ｍａｄｅ ｅｒｏｓｉｏｎ－ｗｅａｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｌ＂ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ
ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｅｒｏ－
ｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｃｌａｓｓｉｃ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｌ＂ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ｂｙ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｒａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ
ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｉｓ ｓｔｅａｄｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｈａｖｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｅｒ－
ｇｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｅｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｓａｍｐｌｅ ａｒｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｉｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍａｉｎｌｙ
ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔａｇｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｙｉｅｌｄ
ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｃｅｅｄｅｄ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅ ｓｐａｌｌｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｒｅ ｏｃｃｕｒｒｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ；ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；２０ＣｒＮｉＭｏ
冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击
时表面出现破坏的一类磨损现象。石油天然气等战略
能源在国民经济中的地位越来越重要。而在油气的生
产过程中，装置和设备受到冲蚀作用的影响而发生失
效的事故对油气的安全生产有着重要的影响。如在油
田公司广泛应用的压裂技术中，最容易受损发生故障
的部件就是管汇，不但因频繁更换管汇给油田带来了
经济损失，而且还极大地影响了安全生产。但目前国
内外的研究主要集中在含砂水对水泵性能的影响，水
￥基金项目：国家科技重大专项（２０１１ＺＸ０５０４８）． 收稿日期：２０１２—０４—１６
作者简介：李治堑（１９８２一），男，硕士研究生，主要从事安全 检测与监测研究．Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｉｋｕｎ６２４＠１６３．ＣＯＢ． 泵气蚀破坏条件，固液两相流在水泵流道中运动规律
的研究等方面 。本文作者选用石油和化工工业常
用的材料２０ＣｒＮｉＭｏ为研究对象，选用油田酸化压裂
所用的压裂砂为冲蚀粒子进行冲蚀磨损试验研究，并
从材料力学的角度，深入分析冲蚀的微观形貌，分析
探讨了其冲蚀磨损机制。
１试验部分
１．１ 试验材料
冲蚀磨损试样的材料选用２０ＣｒＮｉＭｏ，所有试样
均加工成如成图１所示形状和尺寸。为了保证试验的
精确度，试验前要对冲蚀磨损试样表面进行必要的清
洁，去除试样表面的油污和杂质。冲蚀过程中所用溶
液采用清洁的自来水，所用的冲蚀砂选用我国油田常
见的酸化压裂砂，冲蚀砂直径为０．４～０．６ ｍｍ。
３８ 润滑与密封 第３７卷
图１冲蚀试件 Ｆｉｇ １ Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
试验用酸化压裂砂ＳＥＭ照片及成分光谱分析如
图２、３所示。
图２试验用压裂砂的ＳＥＭ照片（５０×） Ｆｉｇ ２ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｓａｎｄ（５０×） １２・７
１０・２
７．６ Ｕ ５．１
２．５
０．０ ０．５０ １．５０ ２．５Ｏ ３．５０ ４．５０ ５．５０ ６．５０ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅ｜ｋｅＹ
图３压裂砂冲蚀前的质谱分析图 Ｆｉｇ ３ Ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｓａｎｄ ｂｅｆｏｒｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ
２０ＣｒＮｉＭｏ试样的力学性质和化学成分见表 １，２［ 。
表１ ２０ＣｒＮｉＭｏ材料的机械性能 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ２０ＣｒＮｉＭｏ
抗拉强度屈服强度伸长率断面收缩率冲击功 布氏硬度 ｃｒｂ／ＭＰａ ／ＭＰａ ６ ／％ ／％ Ａｋｕ２／Ｊ ＨＢＳ １０／３０００
￣＞９８０ ≥７８５ ｉ＞９ ≥４０ ｔ＞４７ ≤１９７
表２ ２０ＣｒＮｉＭｏ材料的化学成分
Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ２０ＣｒＮｉＭｏ ％
１．２试验设备与仪器 本次试验所用设备为实验室自主研发的装置，如
图４所示，装置主要由试验平台、冲蚀发生系统、动
力系统、搅拌系统、流量调节系统、压力传感系统、
温度传感系统和控制系统组成。搅拌系统的功能是使
混砂水搅拌均匀，为冲蚀试验提供冲蚀介质；动力系
统通过一台冲蚀泵将冲蚀介质的压力提高到给定的数
值，使冲蚀粒子具有足够的冲击速度；冲蚀发生系统
能使高速的冲蚀混合液以一定的角度冲击到固定的冲
蚀试样表面，是冲蚀过程发生的场所；流量调节系统
可以调节冲蚀混合液的流量；压力传感系统和温度传
感系统用来监测压力和温度的数值；控制系统用来控
制电源和仪器的操作。
称重仪器采用精度为０．１ ｍｇ的ＬＰ５０３型电子
天平。 试样表面形貌的观察采用Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｓ－３６０型电
子显微镜。 竺竺 。． 呈 墼， — 砸 卜———
试压平台 电磁流量计 １
．呈 全 Ｉ 占一
—ＨＰＬｃ控制毒
图４冲蚀试验装置系统图 Ｆｉｇ ４ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ
１．３试验方法及参数 试验分别测量２０ＣｒＮｉＭｏ试样在不同冲蚀时间和
冲蚀速度下冲蚀前后的质量，从而得出冲蚀磨损量。
同样冲蚀时间和冲蚀速度下的试验均重复３次，取３
次试验的平均值。
冲蚀完成后及时取出冲蚀后的试样，先用丙酮清
洗试样表面，除去试样表面的泥污，并用烘干机进行
烘干，然后立刻用电子天平称重，避免试样表面氧 ２０１２年第９期 李治垄等：２０ＣｒＮｉＭｏ冲蚀磨损性能研究 ３９
化，影响试样质量的准确性。 冲蚀角度选择３０。；冲蚀混合液含砂量调制为
７％（体积分数）；冲蚀液温度保持常温；冲蚀时间
分别为０．５，１，１．５，２ ｈ；冲蚀速度分别为１０，１５，
ｌ８．２０ ｍ／ｓ。
２冲蚀试验结果分析
２．１冲蚀磨损性能 在试验中，通过考察冲蚀时间和冲蚀速度这两个
变量对冲蚀磨损量的影响，从而揭示在３０。冲蚀角度
的情况下，２０ＣｒＮｉＭｏ材料的冲蚀磨损规律。图５示
出了２０ＣｒＮｉＭｏ材料的冲蚀磨损曲线，可见，随着冲
蚀时间的增加，２０ＣｒＮｉＭｏ的冲蚀磨损量也逐渐增加，
没有出现跃进现象。试验表明，冲蚀时间对冲蚀磨损
量具有明显的影响。此外，还发现冲蚀磨损量还与冲
蚀的速度有关，随着冲蚀速度的增大，冲蚀磨损量也
平稳增大，没有出现潜伏期症状。
舶 鲁
Ｉ１皤Ｉ
基 是
图５冲蚀磨损曲线 Ｆｉｇ ５ Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ
２．２冲蚀磨损机制分析
在材料的冲蚀磨损机制研究方面，存在着许多理
论。如Ｆｉｎｎｉｅｉ的塑性材料微切削理论，Ｂｉｔｔｅｒ的变形
磨损理论，ＬＥＶＹ的锻压挤压理论 。这３种理论
是比较有代表性的理论，同时也是受到广泛认可的
理论。
本文作者基于３种理论，进一步深入到粒子与材
料的微观力学作用领域，从材料应力应变与磨损的角
度，来揭示导致冲蚀磨损发生的微观机制。
冲蚀试样在３０。冲蚀角的条件下，冲蚀粒子以一
定的速度撞击冲蚀试样表面，撞击的瞬间，冲蚀粒子
的速度可以分解为２个分量。如图６所示，一个是平
行于试样表面的切向量速度，一个是垂直于试样表面
的法向量速度。进一步分析可知存在３种情况：
（１）当冲蚀粒子法向速度的冲量很小时，法向
速度所产生的能量不足以使试样表面的材料的应力达
到屈服极限ｏｒ 而在弹性范围内，在切向速度的作用
下粒子沿切向方向运动，由于冲蚀粒子并非完全光滑 的（这由图２的冲蚀粒子ＳＥＭ图片可以明显观察
到），它与试样表面产生摩擦，使试样表面材料产生
基于摩擦作用的材料损失。
图６冲蚀粒子速度分解 Ｆｉｇ ６ Ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ
（２）当冲蚀粒子的法向速度的冲量足够大时，
法向速度所产生的能量大到足以使试样表面的材料的
应力达到屈服极限 ，这时试样表面的材料产生屈
服，在粒子对试样表面材料施加的切向力的作用下，
试样表面金属脱离。如图７所示，采用扫描电镜对在
１５ ｍ／ｓ的冲蚀速度下的冲蚀坑区域表面放大１０ ０００
倍进行观察，可以观察到粒子在冲蚀试样表面留下的
清晰的冲痕。
图７ １５ ｍ／ｓ速度下的冲蚀坑ＳＥＭ照片（１０ ０００×） Ｆｉｇ ７ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｉｔｓ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ １５ ｍ／ｓ
（３）当冲蚀粒子的法向速度的冲量大到可以使
试样表面材料的应力达到材料的强度极限ｏｒ 时，这
时试样表面的材料就可能发生强度破坏，材料直接从
冲蚀试样表面剥离。如图８所示，用扫描电镜对２０
ｍ／ｓ冲蚀速度下的冲蚀坑区域表面放大１０ ０００倍进行
观察，可以看到，由于材料达到强度极限，有明显的
剥离的现象。通过对剥离坑和试样的非冲蚀区域进行
化学成分分析（如图９，１０所示），发现剥离坑内的
化学成分组成与试样非冲蚀区域相同，说明此处没有
产生冲蚀粒子碎片的镶嵌现象。 咖 咖 咖姗㈣ ０