第九章 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 。
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
F
P
α
切削几何模型 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：
? ??f
p
mvKV 2?
? 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
? 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。
? ? ??f
?
?? 2s in32s in ?
3
cos2?
?5.18??
?5.18??
? 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。
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
表达式
ba vrK
01??
? 对球形磨粒：
? 对多角形磨粒：
? 对任一形状磨粒：
23 ?? m
ma
26.3 ?? m
ma
24.2 ?? m
mb
? 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）
2
8.0
1
b
EK
??
其中
? 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。
4
1
3
4
12
19
3
11
6
13
0
??
? HKrvV C?
冲蚀速度 磨粒尺寸 磨粒的密度
靶材的断裂韧性 靶材的硬度
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
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
? W c= × ( V sinα -
2MC(V sinα -K)2×
(V sinα） 1/2
C(V sinα-K)2
(V sinα)1/2
Q )
M
2Q [V 2cos2α-K1(V sinα-K ) 3/2
α＜ α0
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。
四、绝热剪切与变形局部化磨损理论
? 哈青斯,1979,9.5mm，钢球,270m/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 。
? 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 。
? 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。
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
§ 2 影响冲蚀磨损的主要因素
3.2HK ???
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；
? 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 。
⒊ 磨粒尺寸的影响
磨粒 尺寸很小时, 对冲蚀磨损影响不大；随着磨
粒尺寸的增加, 靶材的冲蚀磨损也增大, 当尺寸
增大到一定值时, 磨损几乎不在增加, 这种现象
称为, 尺寸效应, 。 磨粒存在的 临界尺寸 。
对于 脆性材料, 随冲角的增加, 冲蚀磨损也增大,
当冲角为 90° 时, 达到最大值 。 但当磨粒尺寸减
小到一定程度时, 其 磨损曲线发生变化, 具有延
性材料的特征 。
对于 延性材料 无上述特征 。
⒋ 磨粒破碎的影响
磨粒在冲击靶材表面时, 会产生 大量碎片 。
这些碎片能 除去 磨粒在以前冲击时在靶材表面形
成的 挤出唇或翻皮, 增加靶材的磨损 。
由于碎片造成的磨损称为 二次磨损 。
磨粒未形成碎片时造成的磨损称 一次磨损 。
冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的 总和 。
⒌ 磨粒嵌镶的影响
在冲蚀磨损初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，
因此靶材的磨损量很小，甚至不是产生失重而是
增重，即产生 负磨损,该阶段称为,孕育期” 。
一段时间（或冲蚀了一定量的磨粒）之后，当靶
材的磨损量大大超过嵌镶量时，才变为 正磨损 。
随冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量也稳定增
加，该阶段称为 稳定（态）冲蚀期 。
延性材料,尤其是冲角为 90° 时，磨粒更容易嵌
镶于靶材的基体，使靶材表面的性能变坏。 脆性
材料,尤其是球形磨粒时，难以嵌镶，影响小。
二, 冲蚀速度的影响
因为冲蚀磨损量和 磨粒的动能 有直接关系, 冲
蚀速度的影响很大 。
∈ = K vn
K是常数,v是冲蚀速度,n是速度指数，一般
情况 n=2~3,延性材料 波动小,n=2.3~2.4,脆
性材料 波动大,n=2.2~6.5；
存在 速度门槛值,低于该值不产生冲蚀磨损，
只发生弹性变形，该值与磨粒大小相关。
三、冲角的影响
冲角是指 磨粒与靶材表面间的倾角；
延性材料 的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，
当冲角为 20~30° 时，磨损量最大，
之后随冲角增加而减小。
脆性材料 则随冲角增加，磨损量不断增加，
当冲角为 90 ° 时，磨损最大。
?冲角对靶材的 冲蚀磨损机制 影响很大。
?低角度冲蚀，磨损机制以微切削和犁沟为主。
?高角度冲蚀，延性材料起初为凿坑和塑性挤出，
多次冲击反复变形和疲劳，引起断裂与剥落。
?脆性材料在大尺寸磨粒和大冲击能量的垂直冲击
下，以产生环行裂纹和脆性剥落为主，往往一次
冲击就能使材料流失；但小尺寸磨粒、冲击能量
较小时，则具有
四, 温度的影响
?一些情况，随着环境温度的升高，冲蚀
磨损加剧；
?某些材料高温下，塑性提高，耐磨性也
随之提高，或者在高温下，材料表面可
能形成氧化膜，都会使冲蚀磨损量随温
度升高而减小。
五、靶材的影响
⒈宏观硬度的影响
⒉加工硬化的影响
⒊材料组织的影响
几种主要的固体粒子冲蚀磨损实验装置
一, 真空落下式实验装置
二, 离心式粒子加速实验装置
三, 真空旋臂式冲蚀磨损实验装置
四、喷射式冲蚀磨损实验装置
§ 3 冲蚀磨损的实验装置
液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材
料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象称
为 浆体（液体 — 固体）冲蚀磨损 。
例如：泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨损。
研究迄今尚 不深入 ；
一般认为 冲速不高 的浆体冲蚀磨损主要是由其中
的 固体磨粒 造成的。
但浆体中 液相存在 必然有一定影响 。
§ 4 浆体冲蚀磨损
?与固体粒子冲蚀磨损的差异
⒈冲蚀速度和冲蚀角
⒉浆体的冲刷作用
⒊浆体的冷却作用
?与固体粒子冲蚀磨损规律的比较
⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系
⒉冲蚀速度与速度指数
⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响
⒋靶子材料的影响
?与固体粒子冲蚀磨损的差异
⒈冲蚀速度和冲蚀角
⒉浆体的冲刷作用
⒊浆体的冷却作用
?与固体粒子冲蚀磨损规律的比较
⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系
⒉冲蚀速度与速度指数
⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响
⒋靶子材料的影响
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 。
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
F
P
α
切削几何模型 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：
? ??f
p
mvKV 2?
? 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
? 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。
? ? ??f
?
?? 2s in32s in ?
3
cos2?
?5.18??
?5.18??
? 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。
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
表达式
ba vrK
01??
? 对球形磨粒：
? 对多角形磨粒：
? 对任一形状磨粒：
23 ?? m
ma
26.3 ?? m
ma
24.2 ?? m
mb
? 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）
2
8.0
1
b
EK
??
其中
? 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。
4
1
3
4
12
19
3
11
6
13
0
??
? HKrvV C?
冲蚀速度 磨粒尺寸 磨粒的密度
靶材的断裂韧性 靶材的硬度
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
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
? W c= × ( V sinα -
2MC(V sinα -K)2×
(V sinα） 1/2
C(V sinα-K)2
(V sinα)1/2
Q )
M
2Q [V 2cos2α-K1(V sinα-K ) 3/2
α＜ α0
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。
四、绝热剪切与变形局部化磨损理论
? 哈青斯,1979,9.5mm，钢球,270m/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 。
? 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 。
? 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。
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
§ 2 影响冲蚀磨损的主要因素
3.2HK ???
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；
? 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 。
⒊ 磨粒尺寸的影响
磨粒 尺寸很小时, 对冲蚀磨损影响不大；随着磨
粒尺寸的增加, 靶材的冲蚀磨损也增大, 当尺寸
增大到一定值时, 磨损几乎不在增加, 这种现象
称为, 尺寸效应, 。 磨粒存在的 临界尺寸 。
对于 脆性材料, 随冲角的增加, 冲蚀磨损也增大,
当冲角为 90° 时, 达到最大值 。 但当磨粒尺寸减
小到一定程度时, 其 磨损曲线发生变化, 具有延
性材料的特征 。
对于 延性材料 无上述特征 。
⒋ 磨粒破碎的影响
磨粒在冲击靶材表面时, 会产生 大量碎片 。
这些碎片能 除去 磨粒在以前冲击时在靶材表面形
成的 挤出唇或翻皮, 增加靶材的磨损 。
由于碎片造成的磨损称为 二次磨损 。
磨粒未形成碎片时造成的磨损称 一次磨损 。
冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的 总和 。
⒌ 磨粒嵌镶的影响
在冲蚀磨损初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，
因此靶材的磨损量很小，甚至不是产生失重而是
增重，即产生 负磨损,该阶段称为,孕育期” 。
一段时间（或冲蚀了一定量的磨粒）之后，当靶
材的磨损量大大超过嵌镶量时，才变为 正磨损 。
随冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量也稳定增
加，该阶段称为 稳定（态）冲蚀期 。
延性材料,尤其是冲角为 90° 时，磨粒更容易嵌
镶于靶材的基体，使靶材表面的性能变坏。 脆性
材料,尤其是球形磨粒时，难以嵌镶，影响小。
二, 冲蚀速度的影响
因为冲蚀磨损量和 磨粒的动能 有直接关系, 冲
蚀速度的影响很大 。
∈ = K vn
K是常数,v是冲蚀速度,n是速度指数，一般
情况 n=2~3,延性材料 波动小,n=2.3~2.4,脆
性材料 波动大,n=2.2~6.5；
存在 速度门槛值,低于该值不产生冲蚀磨损，
只发生弹性变形，该值与磨粒大小相关。
三、冲角的影响
冲角是指 磨粒与靶材表面间的倾角；
延性材料 的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，
当冲角为 20~30° 时，磨损量最大，
之后随冲角增加而减小。
脆性材料 则随冲角增加，磨损量不断增加，
当冲角为 90 ° 时，磨损最大。
?冲角对靶材的 冲蚀磨损机制 影响很大。
?低角度冲蚀，磨损机制以微切削和犁沟为主。
?高角度冲蚀，延性材料起初为凿坑和塑性挤出，
多次冲击反复变形和疲劳，引起断裂与剥落。
?脆性材料在大尺寸磨粒和大冲击能量的垂直冲击
下，以产生环行裂纹和脆性剥落为主，往往一次
冲击就能使材料流失；但小尺寸磨粒、冲击能量
较小时，则具有
四, 温度的影响
?一些情况，随着环境温度的升高，冲蚀
磨损加剧；
?某些材料高温下，塑性提高，耐磨性也
随之提高，或者在高温下，材料表面可
能形成氧化膜，都会使冲蚀磨损量随温
度升高而减小。
五、靶材的影响
⒈宏观硬度的影响
⒉加工硬化的影响
⒊材料组织的影响
几种主要的固体粒子冲蚀磨损实验装置
一, 真空落下式实验装置
二, 离心式粒子加速实验装置
三, 真空旋臂式冲蚀磨损实验装置
四、喷射式冲蚀磨损实验装置
§ 3 冲蚀磨损的实验装置
液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材
料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象称
为 浆体（液体 — 固体）冲蚀磨损 。
例如：泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨损。
研究迄今尚 不深入 ；
一般认为 冲速不高 的浆体冲蚀磨损主要是由其中
的 固体磨粒 造成的。
但浆体中 液相存在 必然有一定影响 。
§ 4 浆体冲蚀磨损
?与固体粒子冲蚀磨损的差异
⒈冲蚀速度和冲蚀角
⒉浆体的冲刷作用
⒊浆体的冷却作用
?与固体粒子冲蚀磨损规律的比较
⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系
⒉冲蚀速度与速度指数
⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响
⒋靶子材料的影响
?与固体粒子冲蚀磨损的差异
⒈冲蚀速度和冲蚀角
⒉浆体的冲刷作用
⒊浆体的冷却作用
?与固体粒子冲蚀磨损规律的比较
⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系
⒉冲蚀速度与速度指数
⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响
⒋靶子材料的影响
