鐵基粉末冶金材料摩擦磨損研析
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論文導(dǎo)讀：試驗(yàn)表明激光淬火硬化區(qū)的組織和亞結(jié)構(gòu)是影響激光淬火鐵基粉末冶金材料摩擦學(xué)特性的主要因素。粉末冶金材料的多孔性為材料摩擦磨損行為的研究增加了新內(nèi)容，成為區(qū)別于其它致密材料磨損的一大特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：粉末冶金，材料摩擦，主要因素
1.材料組織和亞結(jié)構(gòu)的影響
試驗(yàn)表明激光淬火硬化區(qū)的組織和亞結(jié)構(gòu)是影響激光淬火鐵基粉末冶金材料摩擦學(xué)特性的主要因素。
鐵基粉末冶金材料經(jīng)表面淬火處理后表現(xiàn)出良好的耐磨性能與淬火組織中各相的形態(tài)、大小與分布有關(guān)。在表面處理超快速加熱條件下，馬氏體繼承了高溫狀態(tài)下奧氏體碳濃度微觀不均勻性，獲得了極細(xì)針狀馬氏體與板條馬氏體的混合組織，提高了淬火組織的強(qiáng)度和硬度。此外，馬氏體還繼承了奧氏體的高密度位錯(cuò)，造成了強(qiáng)烈的靜畸變效應(yīng)，從而提高了磨損過程中的塑性變形抗力和斷裂強(qiáng)度，提高了裂紋萌生的應(yīng)力，也改善了耐磨性能。在淬火過程中形成的下貝氏體，內(nèi)應(yīng)力小、裂紋少，組織均勻、熱穩(wěn)定性高，具有較高的韌性及形變硬化能力，粘著磨損抗力優(yōu)于馬氏體。
表面處理前的磨痕形貌可見嚴(yán)重塑性變形和粘著現(xiàn)象，主要為塑性變形引起的粘著磨損機(jī)制。而表面淬火處理后的磨面較平滑。其滑動(dòng)摩擦體系是在氧化磨損和塑性變形導(dǎo)致的多種磨損機(jī)制共同作用下的材料損耗過程。
表面淬火后得到的是馬氏體/下貝氏體復(fù)相組織，由于表面硬度較前一材料略低，其磨損表面可見輕微犁削磨損現(xiàn)象，磨損率高于孿晶馬氏體/位錯(cuò)馬氏體混合組織。但是，在較高載荷下，馬氏體/下貝氏體復(fù)相組織具有較好的強(qiáng)韌性搭配，具有較低的裂紋和缺口敏感性，在磨痕中可以觀察到裂紋尖端的鈍化現(xiàn)象，沒有發(fā)生孿晶馬氏體/位錯(cuò)馬氏體混合組織中在高載荷下常見的裂紋快速擴(kuò)展的情況，因此在較高載荷下表現(xiàn)出較好的耐磨性。
殘余奧氏體在淬火組織中是一個(gè)強(qiáng)韌相，一方面，殘余奧氏體細(xì)化，具有一定的強(qiáng)度和硬度；另一方面，又具有極好的韌性，在磨損過程中優(yōu)先發(fā)生塑性變形，因堆垛層錯(cuò)能較低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，導(dǎo)致位錯(cuò)密集，產(chǎn)生明顯的加工硬化效果。同時(shí)在變形過程中，一部分殘余奧氏體應(yīng)變誘發(fā)馬氏體，松弛應(yīng)力集中，減慢裂紋萌生和擴(kuò)展過程。因此，適量的殘余奧氏體的存在也可改善淬火層的耐磨性能。
在表面相變硬化過程中，殘余奧氏體的極高位錯(cuò)密度和馬氏體晶粒的晶格缺陷會阻礙疲勞源的萌生與裂紋的擴(kuò)展，從而改善了材料的抗疲勞性能。另外在相變硬化過程中，由于材料內(nèi)部的溫差和馬氏體形成時(shí)體積大大膨脹，在表層形成很大的殘余壓應(yīng)力，而殘余壓應(yīng)力能松弛材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，因此能有效地改善抗疲勞性能。
鐵基粉末冶金材料中存在的游離態(tài)石墨在摩擦過程中不斷覆蓋摩擦界面，可以形成穩(wěn)定的潤滑工作層，可以防止摩擦副的咬合，也起到了很好的減磨作用。
鐵基粉末冶金材料中存在的少量合金碳化物不僅可以強(qiáng)化基體，在摩擦磨損過程中，還可在磨損表面起到承受載荷、限制兩對磨材料直接接觸的作用，減少了兩接觸表面的真實(shí)接觸面積，從而可以對提高材料耐磨性起到一定的作用，在本試驗(yàn)材料中由于合金碳化物的含量太低，所以其作用并未表現(xiàn)出來。
2.孔隙的影響
粉末冶金材料的多孔性為材料摩擦磨損行為的研究增加了新內(nèi)容，成為區(qū)別于其它致密材料磨損的一大特點(diǎn)。對孔隙在磨損過程中的作用，至今還未得出一致的看法。
S.C.Lim和J.H.Brunton 用裝有掃描電鏡的動(dòng)態(tài)銷－盤型磨損臺架研究了燒結(jié)鐵的無潤滑磨損機(jī)制和孔隙在磨損過程中的作用。發(fā)現(xiàn)磨損與開口孔隙的數(shù)量有關(guān)。在干摩擦情況下，孔隙是產(chǎn)生和留集磨屑的地方，這一作用使材料的磨耗降低。其試驗(yàn)結(jié)果表明，低載時(shí)孔隙度高反而磨損小，高載時(shí)影響不大。當(dāng)表面產(chǎn)生材料流變（滑移或機(jī)械拋光）而將大多數(shù)開口孔隙覆蓋時(shí)，磨損行為與非燒結(jié)鐵相似。
密度對磨損率的影響是孔隙在摩擦磨損過程中微觀作用的宏觀表現(xiàn)。在本試驗(yàn)研究的摩擦磨損過程中，孔隙既可集留磨屑又是磨屑的產(chǎn)生源之一。在較低試驗(yàn)載荷下，孔隙的主要作用是集留磨屑，使摩擦表面變得更加光滑。在這種情況下，孔隙度高有助于磨損率的降低。在較高試驗(yàn)載荷下，孔隙的集留磨屑效用降低，孔隙成為裂紋源及產(chǎn)生磨屑的場所。孔隙是以兩種形式產(chǎn)生磨屑的：(1)孔隙邊緣物質(zhì)碎裂、脫落。 (2)孔隙作為應(yīng)力集中源產(chǎn)生裂紋，裂紋沿粉末顆粒的弱連接處而引起撕裂。當(dāng)試樣與對偶材料相對滑動(dòng)時(shí)，由于摩擦發(fā)生粘著，使試樣表面發(fā)生剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，表面材料發(fā)生塑性流變，并在孔隙邊緣發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度時(shí)，便出現(xiàn)裂紋。裂紋沿粉末顆粒、燒結(jié)頸等脆弱處或沿連通孔隙擴(kuò)展，于是發(fā)生撕裂，產(chǎn)生磨屑，同時(shí)孔隙又是阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大的因素。隨著密度的提高，孔隙減少，孔隙的上述作用也相對減弱，從而材料的磨損性能相對改善。因此要提高鐵基粉末冶金材料在較高載荷下的耐磨性，必須提高材料的密度級別。
3.摩擦表面膜的影響
摩擦表面和亞表面材料的物理化學(xué)性能決定了材料的摩擦磨損行為。摩擦表面層理論認(rèn)為：在摩擦副兩個(gè)表面的相互作用下，材料表面將產(chǎn)生一個(gè)不同于基體材料的表面層。該層在形成過程中有物理的、力學(xué)的作用，如塑性變形、固態(tài)相變和晶粒碎化；也有化學(xué)的作用，如摩擦副之間的化合物、材料的氧化和腐蝕等。在各種因素的綜合作用下，摩擦表面層的形態(tài)、成分和性能存在非常大的差異。常見的有兩種情況：一種是主要由塑性變形層組成的摩擦表面層；另一種是主要由表面涂抹層組成的摩擦表面層。本試驗(yàn)過程中在鐵基粉末冶金材料的磨損表面也觀察到存在摩擦表面層，厚度約在幾百納米到幾微米之間。論文大全。論文大全。
表面淬火處理后鐵基粉末冶金材料表面得到了混合馬氏體+殘余奧氏體的混合組織，材料的表層及次表層硬度得到了顯著的提高。磨痕形貌表明，鐵基粉末冶金材料的磨損率主要取決于試樣表面氧化膜的生成及損耗速度。因此，可以認(rèn)為其占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制是氧化磨損，同時(shí)存在磨粒磨損。在摩擦滑動(dòng)過程中，次表層不發(fā)生或僅發(fā)生微量塑性變形，摩擦熱使表面溫度升高，這有利于氧化反應(yīng)的發(fā)生，在摩擦表面生成氧化膜，可起到保護(hù)表面的作用。論文大全。由于氧化膜的存在，表面淬火處理后的磨損試樣表面較光滑，摩擦磨損性能得到改善。
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