顆粒磨耗測定儀通過模擬實際工況下的摩擦與磨損過程,量化評估材料的耐磨性能。其核心原理基于“摩擦-磨損-質量損失”的鏈式反應:將待測顆粒樣品置于特定試驗環境中,通過預設的摩擦條件(如轉速、壓力、溫度)驅動樣品與磨耗介質(如磨料、摩擦片)發生持續碰撞與摩擦,導致樣品表面材料逐漸剝落。實驗過程中,高精度電子天平實時監測樣品質量變化,最終通過質量損失量計算磨耗率,為材料性能分析提供關鍵數據。
從動力學模型視角分析,顆粒磨損過程可簡化為一級動力學模型,其表達式為:
d(D)/dt=-k(D)·w(D)
其中,D為顆粒粒徑,w(D)為粒徑D的質量分數,k(D)為粉碎速率常數。該模型假設顆粒破碎速率與粒徑質量分數成正比,適用于均勻磨損場景。實際磨損中,高速剪切粉碎的韋伯數(We)與裂紋擴展密切相關,其表達式為:
We=ρ·u²·d/σ
式中,ρ為流體密度,u為脈動速度,d為粒徑,σ為界面張力。當We超過臨界值時,顆粒表面產生裂紋并擴展,導致材料剝落。此外,斷裂力學理論指出,裂紋體的應變能密度因子決定裂紋擴展方向,而泊松比控制裂紋延伸路徑,最終影響磨損形貌。
通過整合摩擦學實驗與動力學模型,顆粒磨耗測定儀實現了從定性觀察到定量分析的跨越,為材料研發、工藝優化及耐磨機制研究提供了重要工具。