综述：不同冲击角度下钢合金表面形貌演化与冲蚀磨损机制：实验与计算一体化研究

《Results in Surfaces and Interfaces》：Surface morphology evolution and erosive wear mechanisms of steel alloys under different impact angles: An integrated experimental and computational study

　　

本研究对 SS304 与 SKD11 的冲蚀行为开展了对比研究，并结合实验与有限元分析（FEA）进行评估。采用 SiO₂ 砂粒作为冲蚀颗粒，在 30°、60° 和 90° 冲击角度下实施冲蚀试验。结果表明：含有 M₇C₃ 与 M₂₃C₆ 碳化物、体积分数分别为 9% 和 6% 的 SKD11 表现出高于 SS304 的硬度。然而，仅凭硬度不足以主导不同入射角条件下的抗冲蚀性能，因为其提升幅度相对有限，仅为 17.87%。依据磨损表面形貌可以确认，两种材料在 30° 下均经历微切削与犁沟机制，在 60° 下表现为切削—压痕混合机制，在 90° 下则以压痕机制为主。与此同时，有限元分析（FEA）揭示出，随着冲击角度增大，作用机制发生渐进式转变，具体表现为接触时间逐步延长、应力局部化程度提高以及塑性应变累积增加。能量分配分析表明，在所有测试角度下，SS304 始终吸收更多冲击能，而 SKD11 保持更高的反弹速度，这归因于其碳化物相对应力局部化的调控能力。该特征可能是 SKD11 相较于 SS304 具有更优耐磨性的关键因素之一。因此可以得出结论：钢合金的冲蚀行为主要受碳化物限制塑性变形、促进应力局部化以及降低表层能量吸收能力的共同控制。

1. Introduction

本文围绕奥氏体不锈钢 SS304 与工具钢 SKD11 在颗粒冲击条件下的冲蚀磨损行为展开。研究首先指出，SS304 由于含有约 18% 的 Cr，能够形成稳定钝化膜，因此在无颗粒高速环境中具备较优的腐蚀—冲蚀抗力；但在严苛含颗粒工况下，其较低硬度与耐磨性限制了构件服役可靠性。既有研究已较系统地揭示 SS304 的冲蚀规律，尤其是冲击角变化会引起主导磨损机制由微犁削向压痕转变。相比之下，SKD11 作为高合金工具钢，因富 Cr 碳化物而具有更高硬度与耐磨能力，但现有文献主要集中于滑动磨损、磨粒磨损及涂层改性，对其冲蚀磨损行为缺乏直接研究。

文章进一步强调，冲蚀磨损并非由单一变量控制，而是流体条件、颗粒特征、流场参数与材料属性共同耦合作用的结果。尤其是冲击角、颗粒形貌与材料微结构不仅改变冲蚀速率，也改变材料去除机制本身。作者据此提出：仅凭材料硬度并不足以解释不同钢种在冲蚀条件下的性能差异，必须结合微结构强化相、塑性耗能能力以及应力传递特征综合分析。此外，传统实验方法主要依赖冲击后的表面形貌表征，难以直接捕捉多颗粒冲击中的动态应力、塑性变形与能量传递，因此引入有限元分析（FEA）以构建机制导向的解释框架。基于此，本文旨在在相同冲击角条件下对 SS304 与 SKD11 的冲蚀行为进行直接对比，并结合多颗粒冲击模拟，从接触时间、应力分布、塑性应变与能量分配等角度揭示碳化物强化与冲击角共同控制冲蚀损伤的本质机制。

2. Material and method

在材料与方法部分，研究采用尺寸为 50 mm × 50 mm × 10 mm 的 SS304 与商用 SKD11 试样。通过 X 射线荧光（XRF）分析验证两种材料的化学成分，并与参考数据进行比对。显微组织及磨损后表面形貌利用带能量色散 X 射线谱（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）进行表征，以识别碳化物的元素分布与组织特征；同时采用 X 射线衍射（XRD）进行物相鉴定。金相试样经标准磨抛处理，以保证显微观察质量。

材料力学性能方面，研究通过维氏硬度测试获得初始表面硬度，每种材料进行 14 次压痕以提高统计可靠性。冲蚀试验中，以 SiO₂ 颗粒作为冲蚀介质，粒径为 65–75 μm，代表粒径 70 μm；颗粒由压缩空气加速，经喷嘴冲击试样表面。实验条件固定为 298 K、颗粒速度 74.58 m/s、气压 0.49 MPa、冲击时间 600 s，冲击角设置为 30°、60° 与 90°。冲蚀速率依据体积损失与颗粒总质量归一化计算得到。

数值模拟部分，研究采用有限元分析（FEA）补充实验观测。材料本构采用修正 Johnson–Cook 模型描述塑性流动行为，并使用扩展 Johnson–Cook 损伤准则刻画损伤累积与断裂演化。模型中综合考虑应变硬化、应变率敏感性及温度软化效应。为模拟多次重复颗粒冲击过程，作者设置 3 个直径 70 μm 的球形颗粒依次冲击同一表面区域，并将基体模型缩放为 0.5 mm × 0.5 mm × 0.25 mm，以提高计算效率。除实验角度外，模拟还增加 45° 与 75°，从而更连续地分析磨损机制在不同角度间的演变。整个模型采用超过 180 万个单元，以保证冲击区应力、应变与损伤分布的解析精度。

3. Results and discussion

3.1. Microstructural characterization and material hardness

显微组织结果显示，SS304 由单一奥氏体基体组成，不含强化相；而 SKD11 为奥氏体基体内弥散分布粗大 M₇C₃ 碳化物与细小 M₂₃C₆ 碳化物，体积分数分别为 9% 与 6%。维氏硬度测试表明，SS304 与 SKD11 的硬度分别为 209 ± 10.45 HV 与 250 ± 12.5 HV，后者高出约 17.87%。该硬度提升被归因于高硬度富 Cr 碳化物的存在。EDS 结果进一步表明，SS304 中 Fe、Cr、Mn 和 Ni 分布均匀，而 SKD11 中 Fe、Cr 与 C 在局部富集，证实形成了富 Cr 碳化物。XRD 结果进一步确认 SS304 主要为 γ 奥氏体相，而 SKD11 除 γ 基体外还存在 M₇C₃ 与 M₂₃C₆ 相。整体而言，该部分建立了组织—硬度关联，为后续解释冲蚀行为差异提供了材料学基础。

3.2. Erosive wear characteristics

冲蚀速率结果表明，两种材料均在 30° 时表现出最高冲蚀速率，并随着冲击角增大逐渐下降至 90°。在 30° 下，SS304 与 SKD11 的冲蚀速率分别为 414.435 ± 20.72 × 10^?4 cm³/kg 和 388 ± 19.4 × 10^?4 cm³/kg，SKD11 仅改善 6.38%；在 60° 下，改善幅度扩大至 8.53%；至 90° 时，SKD11 相比 SS304 的优势达到 18.13%。作者据此指出，尽管 SKD11 硬度仅提高 17.87%，其耐冲蚀优势却随冲击角增大而显著扩大，说明硬度并不能单独解释性能差异，微结构对冲击角敏感的调控作用更为关键。

3.3. Erosion wear mechanisms

磨损表面形貌分析揭示了不同角度下的主导磨损机制。在 30° 时，两种材料均以微切削和犁沟为主，颗粒沿表面滑移并推动材料侧向隆起，形成唇边，随后在后续冲击中被去除，因此表现出最高的材料去除效率。SKD11 的沟槽较浅且连续性较弱，表明其碳化物能抵抗切向剪切引起的基体侧向流动。

在 60° 时，表面形貌转变为切削—压痕混合机制。此时犁沟仍然存在，但压痕、点蚀与浅坑特征显著增多，说明法向分量增强后，颗粒不仅沿表面切削，也逐渐向基体内部压入。SKD11 的沟槽延展和压痕深度均小于 SS304，显示碳化物同时抑制切向与法向载荷引起的塑性损伤。

在 90° 时，两种材料均以压痕、点蚀与坑状损伤为主，法向冲击最大化，表面产生深局部压入。此时切削作用减弱，材料去除效率低于 30°，但 SS304 仍表现出更深的坑洞与更严重的塑性变形。综合实验观察可见，随着角度由低到高，主导机制由微切削/犁沟逐步转向压痕主导，而 SKD11 的优越性来源于碳化物对载荷传递、裂纹萌生抑制与应力波再分布的协同调控。

3.4. Finite element modeling of erosive wear

有限元分析从动态接触机制层面补充了实验结果。接触时间分析表明，随着冲击角从 30° 增加到 90°，两种材料的接触时间总体延长，说明颗粒—表面相互作用从短暂切向接触逐步转变为持续法向压入。SKD11 在相同角度下始终表现出更长接触时间，反映其表面对应力传递与能量释放方式不同于 SS304。

表面应力分布结果显示，30° 时应力场较浅且分布较宽，符合切削主导特征；45° 与 60° 时应力逐渐向局部集中；75° 时达到最强局部化；90° 时则形成对称且局限的压痕型应力场。值得注意的是，SKD11 的峰值应力更深、更局部化，而 SS304 的应力分布更宽，表明后者更倾向于通过整体塑性流动吸收冲击能。

等效塑性应变结果进一步表明，SS304 在所有角度下的塑性应变均显著高于 SKD11，且应变随冲击角升高而增加，在 90° 下达到最大，验证压痕主导时亚表层塑性变形最为严重。SKD11 由于碳化物强化，对塑性流动具有显著抑制作用。

3.4.2. Surface energy dissipation under multi-particle impact

能量分析显示，冲击动能、吸收能与反弹速度共同决定材料损伤程度。SS304 在各角度下均吸收比 SKD11 更多的能量，而 SKD11 保持更高反弹速度，说明其能将更大比例的冲击能返还给颗粒而非转化为不可逆塑性功。吸收能随冲击角增加而上升，并在 90° 达到最大，说明压痕机制最有利于动能向材料损伤能转化。另一方面，75° 条件下表现出最显著的动能水平与应力集中，表明残余切向分量与强法向分量叠加时，局部作用最为激烈。整体来看，SS304 的低反弹速度与高吸收能与其严重塑性耗能完全一致，而 SKD11 的碳化物相通过约束基体变形和促进弹性能释放显著降低损伤。

3.4.3. Surface morphology and crater formation

模拟的表面形貌演化与坑穴形成结果与实验观察高度一致。30° 时，SS304 表面出现明显沟槽与侧向材料堆积，SKD11 则形成边界较清晰且局部化的坑痕；60° 时，两种材料的沟槽缩短而加深，表明损伤由表面剪切向亚表层压入过渡；90° 时，则形成典型对称压痕与双侧唇边，其中 SS304 的唇边更高、应力渗透更深。逐次冲击演化还表明，SS304 从首次冲击起便出现持续累积损伤，而 SKD11 往往在前两次冲击中表现出较强抗损伤能力，到第三次冲击后才出现明显表面破坏，体现出延迟损伤积累特征。

3.5. Integrated schematic of erosive wear mechanisms in SS304 and SKD11

在综合示意分析部分，研究以 30°、60° 和 90° 三种角度为代表，将冲蚀过程归纳为冲击前、初始接触、最大损伤和最终形貌四个阶段。该示意框架系统整合了实验形貌、应力应变响应及能量分配结果，直观说明 SS304 与 SKD11 在不同角度下的损伤起始、扩展与最终去除方式差异。其核心观点在于：冲击角决定主导磨损机制，碳化物强化则决定材料在相同机制下抵抗塑性变形与能量吸收的能力。

4. Conclusion

研究表明，SKD11 由于含有 M₇C₃ 与 M₂₃C₆ 碳化物，具备高于 SS304 的硬度与更优冲蚀抗力，但硬度并不是唯一决定因素。冲蚀速率差异随冲击角增大而扩大，反映出材料微结构对机制转变的敏感调控。实验与有限元分析共同证实：冲蚀机制随冲击角升高由微切削逐步过渡到纯压痕，其间伴随接触时间延长、应力局部化增强、塑性应变累积加剧以及能量吸收效率提高。相较于 SS304，SKD11 通过碳化物相限制塑性流动、增强应力局部化并降低表层能量吸收，从而在多颗粒冲击条件下展现出更高的抗冲蚀磨损能力。