·1752 工程科学学报，第38卷，第12期 用，在颗粒冲击过程中，冲击试件受到挤压作用形成表 表面造成损伤.同时，硬度较低的颗粒在高速撞击过 面凹坑，在凹坑边缘有明显的隆起且有附带的碎屑物， 程中，会发生碎裂，减少了颗粒的冲击能量.并且颗粒 在下一次冲击过程中，这些碎屑物大部分会与底层材 碎片会在试件表面形成覆盖层，进一步降低了磨损 料挤压黏结在一起，而不直接脱离材料表面，所以此状 率0.随着颗粒硬度增加，颗粒对材料表面的切削作 态下试件的冲蚀磨损量最小.综上所述，1C9M钢在 用增强，导致磨损率上升.Al,O,和SiC颗粒对1C9Mo 低冲角硬质颗粒冲蚀下出现的大量切削划痕和犁沟两 试件的磨损率相差不大.这是由于当颗粒硬度超过一 侧堆积的唇缘，在高冲角硬质颗粒冲蚀下出现的大量 定值以后，其对材料的切削作用增加有限，因此对材料 凹坑以及凹坑周围堆积的唇缘，均属于典型塑性金属 磨损率也没有显著的影响 材料受到硬质颗粒冲击时的损伤形式.对比图5(a) 1.6 ·-150 和(c)、图5(b)和(d)发现SiC颗粒对试件造成的切 ◆30° 削犁沟深度、长度以及凹坑深度和面积均比SO,造成 -459 1.2 -60 的大.这是由于SiC颗粒硬度较高，同时形状系数较 ◆-750 小，具有较为尖锐的棱角.反映在磨损率数值上即前 0.8 4-90° 者对试件的磨损率较大，这点可从图4中得到验证. 3.2冲击速度的影响 冲击速度是影响材料磨损率的主要因素.大量冲 蚀试验表明，冲蚀磨损率R与磨粒速度，存在如下 0 Si0, A,0 SiC 关系： 1200 1600 2000 2400 维氏硬度 Rg=g(a).C.v (3) 图6磨损率与颗粒硬度关系 式中，g(α)为冲击角度以最大磨损率标准化的量纲一 Fig.6 Erosion rate vs.particle hardness 的函数，C为与靶材属性、粒子形状、粒径等相关因素 的常数，n为速度指数. 3.4粒径的影响 将试验数据用式(3)进行拟合，分别得到1C9Mo 在实际工业生产中，造成设备失效的固体颗粒粒 试件在三种颗粒冲击下的速度指数.其中，Si0,颗粒 径差别较大，因此本文选用不同粒径的颗粒，研究粒径 的冲击速度指数n处于2.3~2.7，A山0，颗粒的冲击速 对材料冲蚀影响的规律.选取颗粒大小为200目(75 度指数n处于2.5~2.9，SiC颗粒的冲击速度指数n um)、150目(106μm)、100目(150μm)、70目(212 处于2.7~3.2.n值越大，表明材料冲蚀磨损率受颗 μm)、50目（270μm)、45目(325um)和40目(380 粒冲击能的影响越大.分析可知，由于相对于S0,和 um)七种不同粒径的Si02,在温度为20℃，速度为200 A山0，颗粒，SiC颗粒硬度较高，磨粒对材料的切削作用 ms1,冲击角度为60°和90°的条件下分别冲击试件 增强，因此速度指数值较高.上述结果与金属材料速 表面，得到不同颗粒粒径与磨损率的关系如图7所示 度指数值n一般在2~3之间的结论相吻合. 随着颗粒粒径的增大，磨损率呈现先增大后减小趋势 3.3颗粒硬度的影响 颗粒粒径在270um左右时试件的磨损率将出现一个 颗粒硬度对于材料的冲蚀磨损率有着重要影响， 峰值.由图可知：颗粒粒径小于270μm时，随着颗粒 当颗粒硬度与试件材料硬度的比值大于1.2时，颗粒 粒径增大，试件的磨损率明显增大，这是由于在相同的 便很容易对材料表面造成擦伤叨.Ley和Chik网指 速度下，颗粒因粒径增大而带有更大的冲击动能，试件 出，对于金属材料来说，随着颗粒硬度增大，磨损率逐 0.10 渐增大，但当颗粒维氏硬度Hv>700时，在颗粒不破 0.08 碎的情况下，材料的冲蚀磨损率将保持不变.冯益华 人射角60° 和邓建新阿采用五种不同硬度的颗粒对陶瓷喷砂嘴 0.06 进行冲蚀磨损试验，结果发现颗粒硬度越大，陶瓷喷砂 嘴的磨损越大.图6为当颗粒速度为148ms,冲击 照0.04 入射角0 角范围为15°~90°时磨损和颗粒硬度关系.由图6可 0.02 见，试件磨损率随颗粒硬度增大而增大，并且在较高硬 度下，磨损率随着硬度增加变化不大，这与Ley与冯 100 150200250300350 400 益华等的试验结果基本一致.试件在硬度较低的S0, 颗粒粒径m 颗粒冲蚀作用下表现出较低的磨损率.这是由于当颗 图7磨损率与颗粒粒径关系 粒硬度较低时，其对材料的切削作用有限，很难对材料 Fig.7 Erosion rate vs.particle size工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 用，在颗粒冲击过程中，冲击试件受到挤压作用形成表 面凹坑，在凹坑边缘有明显的隆起且有附带的碎屑物， 在下一次冲击过程中，这些碎屑物大部分会与底层材 料挤压黏结在一起，而不直接脱离材料表面，所以此状 态下试件的冲蚀磨损量最小． 综上所述，1Cr9Mo 钢在 低冲角硬质颗粒冲蚀下出现的大量切削划痕和犁沟两 侧堆积的唇缘，在高冲角硬质颗粒冲蚀下出现的大量 凹坑以及凹坑周围堆积的唇缘，均属于典型塑性金属 材料受到硬质颗粒冲击时的损伤形式． 对比图 5( a) 和( c) 、图 5( b) 和( d) 发现 SiC 颗粒对试件造成的切 削犁沟深度、长度以及凹坑深度和面积均比 SiO2造成 的大． 这是由于 SiC 颗粒硬度较高，同时形状系数较 小，具有较为尖锐的棱角． 反映在磨损率数值上即前 者对试件的磨损率较大，这点可从图 4 中得到验证． 3. 2 冲击速度的影响 冲击速度是影响材料磨损率的主要因素． 大量冲 蚀试验表明，冲蚀磨损率 ＲE与磨粒速度 vp存在如下 关系［15］: ＲE = g( α)·C·v n p ( 3) 式中，g( α) 为冲击角度以最大磨损率标准化的量纲一 的函数，C 为与靶材属性、粒子形状、粒径等相关因素 的常数，n 为速度指数． 将试验数据用式( 3) 进行拟合，分别得到 1Cr9Mo 试件在三种颗粒冲击下的速度指数． 其中，SiO2 颗粒 的冲击速度指数 n 处于 2. 3 ～ 2. 7，Al2O3颗粒的冲击速 度指数 n 处于 2. 5 ～ 2. 9，SiC 颗粒的冲击速度指数 n 处于 2. 7 ～ 3. 2． n 值越大，表明材料冲蚀磨损率受颗 粒冲击能的影响越大． 分析可知，由于相对于 SiO2和 Al2O3颗粒，SiC 颗粒硬度较高，磨粒对材料的切削作用 增强，因此速度指数值较高． 上述结果与金属材料速 度指数值 n 一般在 2 ～ 3 之间［16］的结论相吻合． 3. 3 颗粒硬度的影响 颗粒硬度对于材料的冲蚀磨损率有着重要影响， 当颗粒硬度与试件材料硬度的比值大于 1. 2 时，颗粒 便很容易对材料表面造成擦伤［17］． Levy 和 Chik ［18］指 出，对于金属材料来说，随着颗粒硬度增大，磨损率逐 渐增大，但当颗粒维氏硬度 Hv ＞ 700 时，在颗粒不破 碎的情况下，材料的冲蚀磨损率将保持不变． 冯益华 和邓建新［19］采用五种不同硬度的颗粒对陶瓷喷砂嘴 进行冲蚀磨损试验，结果发现颗粒硬度越大，陶瓷喷砂 嘴的磨损越大． 图 6 为当颗粒速度为 148 m·s － 1 ，冲击 角范围为 15° ～ 90°时磨损和颗粒硬度关系． 由图 6 可 见，试件磨损率随颗粒硬度增大而增大，并且在较高硬 度下，磨损率随着硬度增加变化不大，这与 Levy 与冯 益华等的试验结果基本一致． 试件在硬度较低的 SiO2 颗粒冲蚀作用下表现出较低的磨损率． 这是由于当颗 粒硬度较低时，其对材料的切削作用有限，很难对材料 表面造成损伤． 同时，硬度较低的颗粒在高速撞击过 程中，会发生碎裂，减少了颗粒的冲击能量． 并且颗粒 碎片会在试件表面形成覆盖层，进一步降低了磨损 率［20］． 随着颗粒硬度增加，颗粒对材料表面的切削作 用增强，导致磨损率上升． Al2O3和 SiC 颗粒对 1Cr9Mo 试件的磨损率相差不大． 这是由于当颗粒硬度超过一 定值以后，其对材料的切削作用增加有限，因此对材料 磨损率也没有显著的影响． 图 6 磨损率与颗粒硬度关系 Fig． 6 Erosion rate vs． particle hardness 3. 4 粒径的影响 在实际工业生产中，造成设备失效的固体颗粒粒 径差别较大，因此本文选用不同粒径的颗粒，研究粒径 对材料冲蚀影响的规律． 选取颗粒大小为 200 目( 75 μm) 、150 目( 106 μm) 、100 目( 150 μm) 、70 目( 212 μm) 、50 目( 270 μm) 、45 目( 325 μm) 和 40 目 ( 380 μm) 七种不同粒径的 SiO2，在温度为 20 ℃，速度为 200 m·s － 1 ，冲击角度为 60°和 90°的条件下分别冲击试件 图 7 磨损率与颗粒粒径关系 Fig． 7 Erosion rate vs． particle size 表面，得到不同颗粒粒径与磨损率的关系如图 7 所示． 随着颗粒粒径的增大，磨损率呈现先增大后减小趋势． 颗粒粒径在 270 μm 左右时试件的磨损率将出现一个 峰值． 由图可知: 颗粒粒径小于 270 μm 时，随着颗粒 粒径增大，试件的磨损率明显增大，这是由于在相同的 速度下，颗粒因粒径增大而带有更大的冲击动能，试件 ·1752·