微晶玻璃的耐磨性研究

（申请工学硕士学位论文） 钙铝硅系微晶玻璃结构 与耐磨性的研究 培养单位：材料学院 专业名称：材料学 研 究 生：钮 锋 指导老师：何 峰 教 授

2005年5月 钙

铝

硅系

微晶

玻

璃结

构

与耐

磨性

的研究

钮

锋

武

汉理

工

大

学

分类号密级

UDC 学校代码 10497

学 位 论 文

题 目 钙铝硅系微晶玻璃结构与耐磨性的研究

英 文 Research of Microstructure and Wear-Resistance 题 目on the CaO-Al2O3-SiO2 Glass-ceramics

研究生姓名 钮 锋

姓名 何峰 职称 教授 学位 硕士 指导教师

单位名称 武汉理工大学材料学院 邮编 430070 申请学位级别 硕士 学科专业名称 材料学 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期

答辩委员会主席 评阅人 刘继翔

汤李缨

2005年 6 月

摘 要

近年来，随着CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃产业的发展，以及装饰装修的兴起，已经有大量建筑物应用了建筑装饰微晶玻璃。但是使用后发现，微晶玻璃装饰板材表面会出现的“划伤”现象，失去其原有的装饰效果，使其应用范围受到限制。

本课题就以β－硅灰石为主要晶相的微晶玻璃（CaO-Al2O3-SiO2系统）为研究对象，利用烧结法制备微晶玻璃，采用调整基础玻璃配方组成CaO和Al2O3，来调节析出晶体的种类大小及其含量，研究不同晶相含量与微晶玻璃耐磨性能的关系，并分析其对其微观结构、硬度等力学性能的影响。此外，还采用直接加入增韧剂ZrO2的方法，研究加入ZrO2对微晶玻璃结构、耐磨性能的影响。同时还研究了ZrO2对微晶玻璃烧结析晶的影响。

实验中采用磨料磨损的方式。以60目和130目的锆英砂和100目的SiC作为磨料，在道瑞式耐磨性试验机上测试微晶玻璃的耐磨性能，并通过观察试样磨损后的表面微观形貌，来分析其磨损的机理。

实验结果表明：CaO的引入有利于微晶玻璃的析晶，从而提高了材料的耐磨性能；Al2O3的引入虽然降低玻璃的结晶倾向，但是可以使玻璃体更加致密，并提高了玻璃相的力学性能，综合两种作用，微晶玻璃整体的耐磨性得到了一定程度的提高；ZrO2的引入会提高玻璃的粘度，使其烧结收缩率下降，不利于微晶玻璃的烧结。然而ZrO2对微晶玻璃的析晶有一定的促进作用，并且其具有的增韧效果，可以提高微晶玻璃的耐磨性能。

在磨损试验中，对于锆英砂磨料，颗粒越大，磨损量越高；对于不同的磨料，锆英砂和SiC，锆英砂硬度高于SiC，其磨损量也远大于SiC。在小颗粒松散磨料的低磨损区，磨损机理主要是微观切削磨损机理，表面有明显的犁沟或者印痕。在大颗粒的高磨损区，磨损行为包含多种机理，表面的磨损形貌也很复杂。

关键词：微晶玻璃耐磨性能增韧磨损机理

Abstract

In recent years, with the development of the glass-ceramics industry of CaO-Al2O3-SiO2 system, and the rise of the decorations, a large number of buildings have used the building decorated glass-ceramics already. But after using for a certain time, the scratching phenomenon that the building decorated glass-ceramics surface will appear, make it lose its already existing ornament effect, and limit the range of application.

The subject takes the CaO-Al2O3-SiO2 glass-ceramics of which main crystallization phase is β-wollastonite as the research object, prepares the glass-ceramics by sintering .The kinds, sizes and contents of the crystallization are controlled by adjusting the content of the basic glass components, such as CaO and Al2O3. The relationship between the content of components and the wear-resistance performance of the glass-ceramics is studied, and analyzes its impact on its microstructure and mechanics performance, such as hardness, etc. In addition, ZrO2 is imported directly to increase the toughness of the glass-ceramics, and the influence of ZrO2 on microstructure and wear-resisting performance is researched. Also the effect of ZrO2 on the sintering and crystallization of the glass-ceramics is investigated at the same time.

Abrasion wear is taken as the main wear mode in the experiments. The zircon of 60 and 130 meshes, and the SiC of 130 meshes are used as the abrasives, in order to test the wear-resisting performance of the glass-ceramics on the wear-testing machine. The wear mechanism is studied after the wear test by observing the surface microstructure.

The experimental results shows that the increase of CaO promotes the crystallization of glass-ceramics, thus improves the wear-resisting performance of the material ; The introduction of Al2O3 reduces the crystallization inclination of the glass, but can make the vitreous body more compacted , and also improves the mechanics performance of the glass phase, synthesizes two kinds of effect, the wear-resistance of the glass-ceramics has got the improvement of a certain degree; The intake of ZrO2 improves the viscidity of the glass, and has a baffling effect on sintering shrinkage of glass particle, and negative effect on the sintering of the glass-ceramics. However, the intake of ZrO2 promotes the crystallization of glass-ceramics, and can also increase the toughness of the materials, so the wear-resistance is finally improved.

In the testing experiments, as to zircon abrasive , the bigger the particle is , the heavier the wearing is ; To the different abrasives, zircon and SiC, the hardness of zircon is higher than SiC, its wearing amount is far greater than SiC. In the low wearing area of the loose abrasive of tiny particle, wear mechanism is mainly the micro-cuts wearing mechanism, and the surface has obvious furrow and indentation. In the high wearing area of the big particle, wear behavior includes many kinds of mechanism, and the superficial microstructure is also very complicated.

Keywords: glass-ceramics wear-resistance toughness wear-mechanism

目 录

第一章 前 言 (1)

1.1 微晶玻璃的概述 (1)

1.2 微晶玻璃耐磨性存在的问题 (3)

1.3 材料磨损的实质 (4)

1.4 磨损的分类 (5)

1.5 磨料磨损 (6)

1.5.1 磨料磨损的简化模型 (6)

1.5.2 磨料磨损的机理 (7)

1.5.3 磨料磨损的影响因素 (9)

1.6 国内研究现状 (9)

1.7 课题研究的目的、意义 (10)

第二章 实验内容及方法 (12)

2.1实验的工艺流程 (12)

2.2实验所用的原料 (13)

2.3玻璃组成的确定 (13)

2.3.1 A组玻璃试样的组成 (13)

2.3.2 B组玻璃试样的组成 (14)

2.3.3 C组玻璃试样的组成 (15)

2.4样品的制备 (16)

2.4.1 玻璃的熔制与水淬 (16)

2.4.2 玻璃颗粒的烧结晶化 (16)

2.4.3 微晶玻璃测试样的制备 (16)

2.5摩擦磨损实验 (17)

2.5.1 试验的方法步骤 (17)

2.5.2 耐磨性的测定 (17)

2.6样品的结构与性能测试 (18)

2.6.1 XRD的测试 (18)

2.6.2 SEM的测试 (19)

2.6.3 差热分析 (19)

2.6.4 显微硬度的测定 (20)

2.6.5 微晶玻璃试样的线膨胀系数的测试 (20)

第三章 CaO对微晶玻璃结构及耐磨性能的影响 (22)

3.1 A组微晶玻璃试样的磨损试验 (22)

3.2 A组微晶玻璃试样的显微硬度分析 (25)

3.4 A组微晶玻璃试样的SEM分析 (27)

3.5 A组试样的热膨胀系数的测定 (30)

第四章 Al2O3对微晶玻璃结构及磨损性能的影响 (32)

4.1 B组的磨损试验 (32)

4.2 B组试样显微硬度的结果 (36)

4.3 B组的XRD研究 (37)

4.4 B组的SEM研究 (38)

4.5 B组的热膨胀系数的测定 (40)

4.6 本章小结 (41)

第五章 ZrO2对微晶玻璃结构及磨损性能的影响 (42)

5.1 C组的DTA测试 (42)

5.2 C组的磨损试验 (43)

5.3 C组显微硬度的结果 (47)

5.4 C组的XRD研究 (48)

5.5 C组的SEM研究 (49)

5.6 C组的线膨胀系数的测定 (54)

5.7 本章小结 (54)

第六章 ZrO2对微晶玻璃烧结的影响 (56)

6.1 C组玻璃颗粒的烧结 (56)

6.2 C组的烧结收缩研究 (57)

6.2.1 相同温度下的收缩率研究 (57)

6.2.2 不同温度下的烧结收缩率研究 (58)

6.3 玻璃颗粒的XRD分析 (60)

6.4 本章小结 (61)

第七章 结 论 (62)

参考文献 (63)

致谢 (66)

附录 在学期间发表论文 (67)

第一章 前 言

1.1 微晶玻璃的概述

微晶玻璃（Glass-ceramics）又称玻璃陶瓷、结晶化玻璃或微晶陶瓷, 是由基础玻璃经控制晶化行为而获得的一类微晶体和玻璃相均匀分布的材料[1]。其有既不同于玻璃，又不同于陶瓷的特点。经过近四五十年的研究与发展，这种新型的材料制备和应用得到了快速的发展。作为建筑装饰材料，其性能集玻璃，陶瓷，石材的优点于一身；作为功能材料和结构材料，在光、电、生、化、磁等微电子技术，生物医学，国防尖端技术，机械制造等领域得到了广泛的应用[2]，并且具有巨大的发展前景[3]。

玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体，或称玻璃态物质，从热力学观点出发，它是一种亚稳态，较之晶态具有较高的内能，在一定条件下可转变为结晶态。但从动力学观点来看，玻璃熔体在冷却过程中，粘度的快速增加抑制了晶核的形成和长大，使它来不及转变为晶态。微晶玻璃是人们充分利用玻璃在热力学上的有利条件，而又克服了它在动力学上的不利条件而获得的一大类材料。把加有晶核剂或不加晶核剂的特定组成的玻璃，在可控条件下进行晶化热处理，使原单一的玻璃相形成了有微晶相和玻璃相均匀分布的复合材料。

微晶玻璃的综合性能主要决定三大因素：原始组成的成份、微晶体的尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量。后两种因素是由微晶玻璃晶化热处理技术决定。微晶玻璃的原始组成不同，其晶相的种类也不同，例如有β－硅灰石、透辉石、钙长石、堇青石等，不同的晶相赋予了微晶玻璃的不同性能。

根据微晶玻璃的主晶相分类有：硅酸盐微晶玻璃，氟硅酸盐微晶玻璃，磷酸盐微晶玻璃，氧化物微晶玻璃。目前为止，研究较多的有Li2O-Al2O3-SiO2，CuO-Al2O3-SiO2系低膨胀率微晶玻璃，MgO-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2系矿渣微晶玻璃，可切削性云母微晶玻璃及生物活性磷酸盐微晶玻璃，钙铁硅微晶玻璃。

硅灰石型烧结微晶玻璃是一种新型高档建筑材料，易表面析晶，形成大量晶界面，显示粗细不均的晶花、且由玻璃相影视出来，富有立体感、层次感，大大增强了材料的装饰效果。所以产品具有类似天然花岗岩的花纹，有玉石感，质感好。

由于是晶相与玻璃相紧密结合，兼具玻璃、陶瓷和晶体的特点，所以抗折抗压强度高，还具有耐磨、耐腐蚀、耐候性好，色相、色调可调，没有放射性等特

点[4]。这—系列优点是单一的玻璃、建筑陶瓷和花岗岩、大理石等材料所无法比拟的，因此有逐渐替代高档花岗岩等天然石材的倾向。深受用户的青睐和研究者们的重视[5,6,7]。

硅灰石型烧结微晶玻璃属CaO-Al2O3-SiO2系统，是以针状β－硅灰石为主晶相与玻璃相紧密结合的无机复合材料。生产此种微晶玻璃可不使用晶核剂，这主要是利用玻璃在分界处易于核化的性质[8]。

其实微晶玻璃的烧结过程非常复杂[9]，玻璃颗粒的烧结是在有液相的参与的情况下进行的。纯粹的固相烧结实际上是不易实现的。在材料的制备过程中，液相烧结比固相烧结的应用范围更广泛。液相烧结的推动力是表面能，烧结过程是由颗粒重排、气孔填充等阶段所组成。由于流动传质速度快，因而液相烧结致密化速率高。

在通常情况下，玻璃颗粒的烧结过程为，在室温到800℃的范围内玻璃颗粒之间并无明显的烧结迹象，玻璃颗粒仍然处于松散的状态；当玻璃颗粒在850℃保温1小时以后，玻璃颗粒已经开始有明显的烧结迹象，原来尖锐的颗粒开始变的圆滑，玻璃颗粒间的空隙明显减小；950℃保温1小时以后，玻璃颗粒之间的烧结更加充分，制品的烧结收缩加大。此时在玻璃颗粒之间已经生长出了微小的晶体；当玻璃颗粒在1120℃保温1小时以后，玻璃颗粒的致密化已经达到了最高的状态，玻璃颗粒开始整体析晶。图1-1为玻璃颗粒的烧结、核化、晶化过程示意图。

(a) (b) (c) (d)

图1-1 玻璃颗粒的烧结、核化、晶化过程示意图

表1-1为硅灰石型烧结微晶玻璃的基础玻璃化学组成范围。由表1-1可以看出，其组成中，Al2O3和CaO的含量相对其它玻璃玻璃而言比较高。

表1-1 基础玻璃的化学组成一般为：（wt％）

SiO2Al2O3CaO B2O3ZnO+BaO R2O

50～705～1010～250～80～10,5～15

析出的硅灰石晶体含量一般在30％～40％，最高可达50％。所用的原材料主要有硅砂长石、方解石和一些助熔剂，澄清剂，也可引入天然尾矿、冶金矿渣、选矿尾渣。废料的引入既可减少原料费用，降低熔制温度，又能废物利用，减少污染，具有较好的经济效益和社会效益，为解决环境污染和资源再生利用也提出了一个有意义的途径[10~17]。但由于它们的化学组成波动较大，给生产工艺控制带来困难[18]。

1.2 微晶玻璃耐磨性存在的问题

近年来，国内外对建筑装饰微晶玻璃，即以β－硅灰石为主要晶相的微晶玻璃（CaO-Al2O3-SiO2系统）研究报道很多，其中对硅灰石晶体的析出过程研究比较深入，不论从晶化机理探讨[19,20,21]，还是从成分，工艺影响因素的研究[22,23,24]，以至到晶化程度对微晶玻璃力学性能影响的研究[25,26]都已进入到一定的深度。随着CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃产业的发展，以及装饰装修的兴起，已经有大量建筑物应用了建筑装饰微晶玻璃。

经过一段时间的应用，发现微晶玻璃装饰板在耐磨性方面存在严重的问题，即在使用一定时间后，微晶玻璃的表面会出现大量的“划伤”现象。因此，会失去其原有的装饰效果，使其应用范围受到限制。而且某些微晶玻璃企业也因此而遭受了经济上的损失。

微晶玻璃表面性能与CaO-Al2O3-SiO2系统装饰微晶玻璃的生产工艺过程复杂，其中对板材表面的加工要求非常严格。按照国际规定，其加工以后的表面光泽度要达到85度以上。加之微晶玻璃中含有大量的玻璃，就使得该材料在加工后表面呈镜面。导致在同类的装饰材料中，微晶玻璃表现出更加容易被“划伤”的一面。另外对于天然石材，其中晶相含量高，晶体的解理面方向复杂，往往对光线会产生不同方向的反射，使人们较难看出其表面的“划伤”痕迹。

微晶玻璃是由玻璃颗粒烧结晶化而成的，其中仍然保留了玻璃相的结构与特性。表面光泽度与其折射率有直接的关系折射率越大，其表面光泽度越强。微晶玻璃中含有一些折射率大的元素。如Ba、Zn等，都可提高玻璃相的折射率，从而提高其光泽度。

这些问题的出现已经影响到企业的经济效益以及行业的技术发展。另外，也会给用户的使用带来不安全的因素。目前，如何提高微晶玻璃的耐磨性已经成为该领域的研究焦点[27,28,29]。

1.3 材料磨损的实质[30]

磨损是由摩擦引起的、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现象，像建材工业、冶金矿山、电力工业、机械工业、农业机械、国防工业以及航空、航天等等，处处存在摩擦，处处存在磨损。材料磨损是两个或两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。从磨损的特征与结果分析，任何一种磨损都发生在物体的工作表面上，但不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织结构及其性能也会发生变化，同时产生一定数量的磨损产物。从物理与化学角度分析，磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且是在很薄的一层工作面上，在磨损过程中一个重要的特征是机械能转变成热能，加热与冷却都是以非常快的速度进行，物体表面具有相当大的活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组织与性能同内部是不一样的。材料表面原子会与环境（介质）发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应，使材料表面可能产生加工硬化层或者形成表面织构，将会影响材料的磨损过程。可以说磨损是一个动态过程。

从原子与作用力分析，由于相互接触的两物体表面其中一物体表面的原子可能与另一物体表面的原子极靠近，甚至进入斥力场，在相对运动时，两表面分子就会产生能量损耗。在相对运动中将有些原子进入斥力场，而有另一些原子将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度，而其定量数决定于统计学的相率。当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置上去，然而这是个似乎不可能的假说，即原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至于进入相对表面上另一个原子场内，在这里得到新的平衡位置。也就是说原子可以从一个物体表面上被对面得另一个物体表面俘获去。按汤姆林逊的著作，这就是磨损的实质。

有关材料磨损过程的研究，相对摩擦来讲起步较晚，对磨损许多问题的研究还很不够，对磨损的定义和分类尚不统一。但有一点是无疑的，当两个相对运动的物体表面发生摩擦时，必然产生磨损。这是到处可见的现象。这一现象，看似简单，实际上很复杂，影响因素很多，涉及弹－塑性力学、表面物理化学以及材料科学等多种学科，虽然经过了较长时间的大量研究，但迄今为止对磨损机理的研究还很不够，也还没有一个可靠的简明的定量公式。对一些磨损现象，也许我们懂得它的含义，但下一个确切的定义又并非易事。

目前有以下几种定义：

a．由于机械作用而造成的物体表面材料的逐渐消耗（英国机械工程师协会）。

b．由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏（前苏联的克拉盖尔斯基）。

c．由于物体的表面与相接触的物质间的相对运动造成物体表面的损伤，还常有材料的逐渐损失（美国材料试验学会ASTM）。

d．德国1953年H.Wahl起草的试行标准Dln50320中定义为“从技术意义上来说，磨损应理解为工作物体表面由于机械原因导致小颗粒松脱而出现的一种不利变化”。在1979年修订Dln50320时又定义为“磨损是一个物体由于机械的原因，即与另一个固体的、液体的或者气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程”。

e. 磨损是物件由于其表面相对运动，而承载表面上不断出现材料损失的

过程（1969年制定OECD汇编“术语和定义”）。

上述定义中，都有各自的片面性，强调了某种作用而忽视了其它一些作用，如定义a强调了机械作用，而忽略了电和化学作用，第二个定义则强调了疲劳的作用。虽然各定义有所区别，但是不难看出磨损有三大要素：a．材料的表面特征；

b．另一物质（气液固）的接触特性，即接触方式、力的传递和表面变形等；

c．相对运动。

1.4 磨损的分类

每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理存在，因此在分类上也常出现混乱现象。尽管如此，人们还是根据不同的条件，进行了不同的分类，常见的分类方法见图1-1所示。

在这些类型的磨损中，磨料磨损最为普遍存在，约占各种磨损的50％，黏着磨损次之，约占15％，腐蚀磨损居第三位，约占8％。

图1-1 磨损分类图

1.5 磨料磨损

1.5.1 磨料磨损的简化模型

在许多著作中都采用了拉宾诺维奇（Rabinowicz）在1966年提出的磨料磨损简化模型，见图1-2，并导出了定量计算公式。模型计算假设条件：①磨料磨损中的磨粒为圆锥体；②被磨材料为不产生任何形变的刚体；③磨损过程为滑动过程。磨粒在载荷P的作用下，被压入材料中，并在切向力作用下

沿材料表面滑动距离为L ，犁出一条沟，其深度为t 。那么单位滑动距离磨损掉的材料体积，即被迁移的沟槽体积（阴影部分），用下式可以算出，即

rtL L t r V =×××=22

1 (1-1) 式中：V ——磨损掉的体积；r ——磨粒圆锥体的半径；t ——磨粒压入材料的深度；L ——滑动距离。

图1-2 磨料磨损的简化模型

压入材料的深度取决于压力的大小和材料硬度的比值，所以

θrtg t = (1-2)

H P r /2=π (1-3)

式中：θ——磨料圆锥体的夹角；P ——法向载荷；H ——材料的硬度

θπtg H P L V ?= (1-4)

令磨料磨损系数： πθtg K abr = (1-5) 则： H

PL K V abr = (1-6) 式1-6表明，在一定的磨料条件下，单位距离内磨损体积与加载荷成正比，而与材料的硬度成反比。

1.5.2 磨料磨损的机理

对于本论文，磨损主要集中于磨料磨损。外界硬质颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起的表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。

磨粒磨损有三种形式：

（1）磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生擦伤或者微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常称为冲

击磨损。此时，磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。冲击磨损量与冲击能量有关。

（2）在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是一种二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。

（3）外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，称为三体磨粒磨损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或者疲劳，而脆性金属表面则发生脆裂或者剥落。

对于磨料磨损的机理，迄今为止，还没有完全清楚，还存在一些争议。就本课题而言，可能涉及到的机理主要为以下四个方面：

第一，微观切削磨损机理

磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面；切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向适当时，磨粒就如同刀具一样，在材料表面进行切削。但是这种切削的宽度和深度都很小，因此切削量也很小，所以称之为微观切削。

第二，多次塑变磨损机理

在磨料磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部分把材料推向两边或者前缘，这些材料的具有一定的塑性变形，但未能脱离母体，在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形。这些堆积在两侧和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到随后的磨粒作用时，可能把已堆积的材料压平，也可能使已变形的沟底材料遇到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产生加工硬化或其它强化作用最终剥落而成为磨屑。

第三，疲劳磨损机理

疲劳是由重复作用应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环不超过材料的弹性极限。疲劳磨损是因表面曾微观组织受到周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程发展的同时，过程的速度主要取决于周围的介质及其对强化的作用。

第四，微观断裂磨损机理

磨损时由于磨粒压入被磨材料表面而具有静水压的应力状态，所以大多数材料都会发生塑性变形。但是对于脆性材料，可能就是断裂机理占主要地位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落，因此磨损要比塑性材料大。

脆性材料的压痕断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺寸以及周围环境等，其内部条件主要决定于材料的硬度和断裂韧性等。对于脆

性材料来说，压痕带有明显的表面裂纹，这些裂纹从压痕的四角出发向材料的内部伸展，裂纹平面垂直于试样表面而呈辐射状者为中线裂纹，压痕附近还有横向的无出口裂纹。裂纹长度随压痕大小而可概略计算，而且断裂韧性低的材料裂纹较长。对于磨料磨损来说，当横向裂纹互相交叉或扩散到表面时，就造成微观断裂机理的材料磨损。

1.5.3 磨料磨损的影响因素

1. 硬度 （Ha －磨粒硬度；Hm －材料硬度；K －磨损系数）

低磨损区： 1.25Ha

< Hm , K ∝ Hm -6 过渡磨损区： 0.8Ha < Hm < 1.25Ha , K ∝ Hm -2.5

高磨损区： Hm < 0.8Ha , K 基本保持恒定

2. 磨粒尺寸与几何形状

磨粒大小在临界值以下，体积磨损量随磨粒尺寸的增大而按比例增加；超过临界值后，磨损体积增加的幅度明显降低。

磨粒集合形状对磨损量也有较大影响，特别是磨粒为尖锐角，磨损更为明显。

1.6 国内研究现状

目前湖南大学也在进行这方面的研究[31,32]，他们主要是基于Ca-Mg-Al-Si 系统，其主晶相为透辉石CaMg(SiO 3)2 ，次晶相为硅灰石β-CaSiO 3 。

根据陶瓷学观点，对于同种材料晶粒愈小、愈均匀, 强度愈高。其强度σf 与晶粒尺寸d 之间存在如下关系：

2110??+=d f κσσ （1-7） 对于多晶材料来说，在多数情况下晶界强度比晶粒内部弱，破坏多是沿晶界断裂。细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒愈细，此路程愈长，则磨损材料时材料的变形和剥落所需能量就越多。

湖南大学采用的复合晶核剂为CaF 2、Cr 2O 3，以及ZrO 2增韧。

CaF 2：由于氟离子的半径与氧离子的非常接近，氟离子在玻璃网络中取代氧离子不会对玻璃结构中其它离子的排列产生过大的影响。F 使硅氧网络断裂, 削弱玻璃结构，降低玻璃的粘度，促进系统的分相。其断网作用使玻璃结构由层状向短链状发展, CaMg(SiO 3)2从链状硅酸盐结构网络中析出，从而使