磨料磨损

磨料磨损属于摩擦学范畴，涉及物理、化学、力学、材料与机械多学科的知识。磨料磨损对工农业生产和人类活动除造成巨大的经济和材料损失外，利用其有利的方面，还可帮助人类进行生产和生活。如何抵抗磨损和有效利用磨损，已成为科学家和工程师的一项重要任务。为此，《磨料磨损》从列举磨料磨损的应用实例开始，重点论述磨损力学、磨料表征、二体磨料磨损原理、三体磨料磨损原理、纳米尺度磨料磨损，以及磨料流加工的基本规律。这些内容是作者几十年来研究成果的归纳与总结。理论上，《磨料磨损》涉及部分力学、物理、材料、计算方法等基础知识在磨料磨损中的应用，如接触力学、疲劳理论、有限元方法、蒙特卡罗(Monte Carlo)方法、分子动力学等。作者期望运用这些知识对磨料磨损过程的本质有一个初浅的理解，也希望借助《磨料磨损》能够给研究工作者与现场工程师提供新的工作思路和帮助。

目录
前言
第1章 概论 1
1.1 磨料磨损的定义和分类 1
1.2 人类运用和抵抗磨料磨损的简史 3
1.3 磨料磨损的工业应用实例 16
1.4 磨料磨损研究的价值 25
参考文献 28
第2章 磨损力学简介 31
2.1 磨损过程的弹性接触 31
2.2 磨损过程的弹塑性接触 36
2.3 磨损过程的疲劳与损伤 42
参考文献 47
第3章 磨料几何形状的表达 48
3.1 引言 48
3.2 关于磨料特性描述的思考 52
3.3 磨料外形的频域模型 53
3.4 磨料外形频域描述的试验方法 54
3.5 磨料外形频域描述的计算方法 54
3.6 磨料外形频域描述的计算结果和讨论 56
参考文献 59
第4章 二体磨料磨损 61
4.1 材料二体磨料磨损的机理 61
4.1.1 微观切削磨损机理 61
4.1.2 低周疲劳磨损机理 61
4.1.3 微观断裂 (剥落) 机理 63
4.1.4 磨料磨损的影响因素 63
4.2 二体磨料磨损的经典模型 75
4.2.1 Archard模型 75
4.2.2 Rabinowicz的单颗粒切削模型 76
4.2.3 Moore模型 77
4.2.4 Garrison-Garriga模型 78
4.2.5 Zum Gahr模型 78
4.2.6 Jacobson等的统计模型及Jiang等的修正 79
4.2.7 Halling-Finkin模型 79
4.2.8 Sundararajan的塑变模型 80
4.3 材料力学性能和二体磨料磨损试验 81
4.3.1 单轴拉伸试验 81
4.3.2 单磨料划痕试验 83
4.3.3 销盘二体磨料磨损试验 88
4.4 磨料表面的生成 93
4.4.1 磨料模型的构建 94
4.4.2 磨料参数分布的确定 96
4.4.3 磨料面的生成 102
4.5 磨损因子估计的有限元方法 105
4.5.1 Azarkhin-Boklen脊形貌曲线拟合方程 106
4.5.2 磨料磨损过程的有限元法模拟 109
4.5.3 三维有限元方法模拟结果 112
4.6 材料二体磨料磨损的计算机预测 115
4.6.1 数值计算模型的原理 116
4.6.2 犁沟与变形脊的形貌处理 121
4.6.3 材料线磨损率的计算 123
4.7 考虑磨料统计规律时材料磨损的预测 127
4.7.1 磨损因子fab与压深曲线拟合方程 127
4.7.2 考虑磨料尺寸统计分布的材料二体磨料磨损模拟 128
4.7.3 二体磨料磨损中磨料的“尺寸效应” 133
参考文献 139
第5章 三体磨料磨损中磨料的运动方式 145
5.1 材料三体磨料磨损机理 145
5.2 磨料运动方式的直接观察 147
5.2.1 单颗粒三体磨料磨损的试验装置和试验方法 147
5.2.2 磨料颗粒运动方式的观察及摩擦系数的测定 150
5.3 磨料运动方式的判据 154
5.4 磨料运动方式判据的验证 159
5.5 磨料运动方式的预测 169
5.6 椭球磨料的运动方式 172
5.6.1 接触表面压入区域的等效圆方法 172
5.6.2 对石塚镇夫模型的修正 174
5.6.3 磨损参数对椭球形磨料运动方式的影响 176
5.7 多边形磨料的运动方式 185
5.7.1 基于椭圆截面的多面体磨料外形的构建 185
5.7.2 随机多面体磨料外形的构建 190
5.7.3 多面体磨料表面压入深度的计算 193
5.7.4 多面体磨料运动方式的判定实例 194
参考文献 196
第6章 三体磨料磨损中的塑变和切削磨损 198
6.1 三体磨料磨损的试验规律 198
6.1.1 试验装置和试验方法 206
6.1.2 磨程对磨损的影响 211
6.1.3 金属硬度对磨损的影响 213
6.1.4 磨损面和磨屑形貌观察 214
6.1.5 讨论 218
6.2 三体磨料磨损磨痕的统计规律 219
6.2.1 表面磨痕的统计模型 221
6.2.2 试验装置和试验方法 226
6.2.3 试验参数的确定 229
6.2.4 表面磨痕统计的试验依据 232
6.3 三体磨料磨损中的切削磨损 234
6.3.1 表面粗糙度的影响 234
6.3.2 磨料颗粒尖锐度的影响 235
6.3.3 金属硬度的影响 235
6.3.4 短程磨损中金属切削磨损概率 236
6.4 三体磨料磨损中切削磨损的模拟 238
6.4.1 模拟试验的依据和技术路线 239
6.4.2 模拟过程 240
6.4.3 模拟结果 245
6.5 三体磨料磨损中的塑性变形磨损 248
6.5.1 试验方法 249
6.5.2 试验结果和讨论 249
6.5.3 塑变磨损的数学模型 254
6.6 三体磨料磨损的物理模型 258
6.6.1 磨损物理模型的提出 259
6.6.2 金属硬度与磨损体积关系的解释 260
6.6.3模型的试验验证 262
参考文献 263
第7章 三体磨料磨损的计算机模拟 266
7.1 低周疲劳的基本概念和计算方法 266
7.2 拉伸试验 269
7.3 使用近似圆球形磨料的三体磨料磨损试验 271
7.3.1 磨料颗粒分布测定试验 271
7.3.2 试验的方法及测量 271
7.3.3 磨料颗粒分布的确定 272
7.3.4 磨料磨损试验 276
7.3.5 试验结果及分析 277
7.4 模拟的基本假设和Monte Carlo方法 283
7.4.1 [0-1]均匀分布的伪随机数的生成和检验 284
7.4.2 正态分布N(μ，σ2)及(a，b)区间均匀分布伪随机数的产生 287
7.4.3 模拟过程的基本假设 289
7.5 关于磨料的Monte Carlo模拟 290
7.5.1 磨料参数的选取及确定 290
7.5.2 打靶法生成磨料面 290
7.6 磨料运动方式及变形脊的确定 293
7.6.1 磨料运动方式的判定 293
7.6.2 滑动磨料颗粒滑动对象的判定 296
7.6.3 滑动磨料的磨损处理 297
7.7 材料塑性变形磨损量的计算 300
7.7.1 滑动磨料塑变疲劳磨损 300
7.7.2 滚动磨料的塑变疲劳磨损 302
7.7.3 磨损量的计算 303
7.8 模拟的基本流程和结果 303
7.8.1 接触计算前的预备工作 304
7.8.2 模拟结果与试验验证 308
参考文献 315
第8章 纳米尺度的磨料磨损 317
8.1 引言：纳米磨料磨损的例子 317
8.2 分子动力学模拟方法简介 320
8.2.1 势函数 320
8.2.2 晶体缺陷识别与可视化方法 322
8.3 纳米尺度的二体磨料磨损 327
8.3.1 模拟假定与原子模型 327
8.3.2 模拟方法与势函数 328
8.3.3 纳米二体磨料磨损中的摩擦 329
8.3.4 纳米二体磨料磨损中的磨损 330
8.3.5 铜纳米晶的二体磨料磨损 331
8.4 纳米尺度的三体磨料磨损 339
8.4.1 磨料运动方式的预测 339
8.4.2 摩擦机理 344
8.4.3 磨损机理 346
8.5 硅材料在纳米尺度下对磨损的响应 347
8.5.1 相识别和表征方法 348
8.5.2 算法的实现 350
8.5.3 纳米压痕中单晶硅的相变 351
8.5.4 纳米磨料磨损中单晶硅的相变 356
8.5.5 单晶硅相变的应力机理与准则 364
参考文献 367
第9章 磨料流加工理论 372
9.1 引言 372
9.2 磨料流加工技术的现状 373
9.2.1 加工介质的影响 373
9.2.2 加工参数的影响 374
9.2.3 AFM理论的研究现状 375
9.3 磨料流加工中影响因素分析 377
9.3.1 试验设备和材料选择 377
9.3.2 试验方案 380
9.3.3 AFM加工效率影响因素 380
9.3.4 加工介质的黏温关系 385
9.3.5 考虑介质黏温关系的磨损量表达式 387
9.3.6 AFM加工过程流场仿真 390
9.4 单向磨料流加工 395
9.4.1 单向AFM试验装置 395
9.4.2 单向短程AFM的试验方法 397
9.4.3 单向短程AFM影响因素分析 399
9.4.4 单向短程AFM流场有限元计算的建立 402
9.4.5 加工介质黏度对流场的影响 413
9.4.6 加工压力对流场的影响 416
9.5 磨料流加工中磨料运动方式的判断模型 419
9.5.1 AFM中磨料滚滑方式的判断 419
9.5.2 磨料滚滑运动方式判断模型的试验验证 424
参考文献 427