由于试件表面的不连续接触,接触区将产生较大的局部应力与应变,导致两接触表面部分微凸体发生塑变或断裂,压平或产生微小裂纹。在滑动磨
料磨损中,也存在上述变化,这应是微裂纹产生的原因之一。
试件工作面经渗碳淬火、低温回火后,由于表面硬度高(HRC60～63) ,具有一定的脆性,加上表面处理后可能造成材料局部弹性变形的不协调,因此, 试件表面上部分微凸体可能在初始阶段即发生脆性脱落;此外,由于接触的不均匀性及材料成分可能存在的分布不匀,也可能加速材料接触面在短期内形成初始微裂纹(图7) ,并因此剥落。冲击载荷的作用则可能造成试件边缘部位出现早期的疲劳或脆性崩落,这可能是定时间内两类试验(冲,冲+ 磨) 材料磨损量较大的原因之一(图2 、5) 。材料中潜在的或在试件锻打加工过程中所存在的非金属夹杂物等硬的第二相质点则可能在试件表面的局部区域引起应力集中,加上磨料犁削的综合作用,都将促使微裂纹扩展,发展成较大的裂纹。由于微裂纹的萌生和扩展需要一定的时间,因此在试验的中后期阶段,才发现有粗大的裂纹或犁沟,如图9 和图7 (1) 所示。
“墩粗”与“缩聚”现象的发生,应与渗碳淬火后材料内部金属结构的变化有关。冲击载荷的重复作用造成了局部晶体的滑移或位错,这种位错应属于螺型位错或混合型位错[4 ] ,这对泵阀的工作寿命存在一定的影响。其成因还有待研究。此外,接触表面出现的轻微凹陷,说明试验材料在磨损过程中,在接触处发生了明显的材料损失或产生了局部塑变。
沿晶断裂剥落坑的出现,应与磨料的存在有关。由于磨料的凿削作用,加上因试件硬度较高,在载荷作用下,由于高应力而引起材料的局部剧变,最终导致试验材料出现小块脆性崩落。由于计算出的工作 应力小于材料的屈服强度,可以认为这是材料在低应力下的断裂[4 ] 。
尽管冲击载荷作用下的工作应力是脉动循环应力,但“在材料内部由于弹性波动能的影响,试件应力状态近似于对称循环,应力循环频率远大于冲击频率”[5 ] ,在重复的冲击载荷作用下引起表面材料的疲劳损伤累积,促使表层微观体积内裂纹产生、扩展,最后汇合而成片状磨屑脱落,这应是少量疲劳磨屑的成因,也是材料产生重量损失的又一原因。
3 结 论
(1) 20CrMnTi 经渗碳、淬火,低温回火后,具有良好的抵抗冲击磨料磨损的能力,可以作为压裂泵阀的优选材料。
(2) 冲击磨料磨损中,20CrMnTi 材料表现出“自恢复”变形趋势,有助于提高压裂泵阀的寿命。
(3) 材料磨损的发生、发展与磨损类型、冲击载荷的作用时间和材料表面处理工艺密切相关。
(4) 表面微裂纹的产生,与材料表面硬度、磨料的作用和工作中各种引起应力集中的因素有关,这是材料失重的原因之一。
(5) 片状磨屑的产生与冲击载荷反复作用引起的材料表面疲劳有关;坑状剥落则与低应力下材料的脆性断裂有关。
参考文献:
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[4 ] 郑明新. 工程材料[M] . 北京:清华大学出版社,1984.
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