圖1為高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面、內(nèi)部切面分別在30°、45°、60°的沖蝕角度下進(jìn)行試驗后的體積沖蝕率測試結(jié)果。在30°、45°、60°沖蝕角度時，髙鋁澆注料預(yù)制件原始成型面、內(nèi)切面體積磨損率分別為0.056mm3/g和0.017mm3/g、0.082mm3/g和0.030mm3/g、0.112mm3/g和0.060mm3/g。它們的體積磨損率均隨沖蝕速度的增大而增大，且內(nèi)部切面的體積磨損率小于原始成型面。

高鋁澆注料預(yù)制件屬于脆性材料，具有脆性材料的力學(xué)特征，硬度大脆性高并且有相對較高的耐壓強(qiáng)度，在沖蝕過程中，也滿足典型脆性材料的沖蝕磨損行為。在沖蝕角度為30°的小角度時，材料沖蝕磨損的主要方式為切削、犁割作用，而在90°等高角度下，其沖蝕磨損機(jī)理主要是脆性斷裂引起的裂紋形成和擴(kuò)展。

而對于這種“骨料-基質(zhì)”型耐火材料，其被沖蝕表面往往被硬度不高、強(qiáng)度相對較小的基質(zhì)所富集。因此，小角度下的切削作用往往只能對基質(zhì)產(chǎn)生一定程度的沖刷，當(dāng)基質(zhì)的沖刷逐漸完成，甚至還沒有完成時，骨料開始逐漸裸露，但是切削作用對強(qiáng)度高、硬度大的骨料的破壞作用是非常有限的，大多時候是發(fā)生碰撞作用，且骨料的所占比例增大，成為抵抗沖蝕磨損的應(yīng)力集中區(qū)，由于骨料的阻擋，磨粒很難再更深一步的對材料進(jìn)行沖蝕破壞，因此在小角度沖蝕時，高鋁澆注料的體積沖蝕率不大。也可以從能量角度進(jìn)行分析，小角度進(jìn)行沖蝕時，靶材的法向沖蝕應(yīng)力較小，轉(zhuǎn)化為材料體積損失的真實應(yīng)力也就較小，因此體積磨損率不大。隨著沖蝕角度的增大，脆性斷裂逐漸代替切削、犁割作用成為此時材料沖蝕磨損的主要原因。在高角度下高鋁澆注料預(yù)制件中的骨料部分成為抵抗沖蝕磨損的主要載體，隨和沖蝕時間的增加，骨料漸漸萌生裂紋，進(jìn)一步導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，最后直至骨料大顆粒剝落，造成靶材較大的體積損失，沖蝕磨損率較大。根據(jù)典型的脆性材料沖蝕理論，最大沖蝕率出現(xiàn)在90°沖蝕角的時候。

由圖2(a)(c)可以看出，對于高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面，在4min沖蝕時間的條件下，磨粒沖蝕破壞的都是靶材表面包裹骨料的基質(zhì)和細(xì)粉，骨料只有初步裸露，形貌完好，基本沒有裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，雖然有些地方骨料已經(jīng)作為抵抗沖蝕的阻礙，但是基質(zhì)仍然是應(yīng)力集中的地方;通過對(b)(d)兩圖的觀察可以看出，對于髙鋁澆注料預(yù)制件的內(nèi)部切面，抵抗磨粒沖蝕磨損作用的基本都是大顆粒的骨料，基質(zhì)和細(xì)粉則填充在骨料與骨料的間隙從而得到保護(hù)，但沖蝕時間較短，且沖蝕角度并不是最大的90°,所以裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展并不明顯，但是此階段的應(yīng)力基本都由強(qiáng)度更高、耐磨性更好的骨料承擔(dān)，因此材料體積沖蝕率并不大。

通過縱向?qū)Ρ?a)(c)可以看出，沖蝕角度為30°時，骨料只有少部分裸露，且形貌完整，無裂紋，材料原始成型面上基質(zhì)部分甚至沒有被沖蝕完全，主要損壞形式以切削為主，但是磨粒對骨料的切削作用并不明顯;直到?jīng)_蝕角度為60°時，骨料裸露程度進(jìn)一步增大，有少數(shù)部位的骨料已經(jīng)基本完全裸露，且裸露部分與基質(zhì)部分分部均勻，有些骨料呈現(xiàn)尖角形裸露來抵抗磨粒的沖蝕磨損，成為主要承擔(dān)沖蝕的地方，但整體來說，還是處于基質(zhì)包裹骨料的形貌結(jié)構(gòu)，沖蝕磨損機(jī)理仍以切削為主。

圖3為高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面、內(nèi)部切面分別在4m/s、6m/s、8m/s的沖蝕速度下進(jìn)行試驗后的體積沖蝕率測試結(jié)果。在4m/s、6m/s、8m/s沖蝕速度時，高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面、內(nèi)切面體積磨損率分別為0.026mm3/g和0.009mm3/g、0.060mm3/g和0.026mm3/g、0.121mm3/g和0.039mm3/g。它們的體積磨損率均隨沖蝕速度的增大而增大，且內(nèi)部切面的體積磨損率小于原始成型面。

在研究沖蝕速度與體積磨損率的關(guān)系時，本實驗選取的沖蝕角度是45°，沖蝕時間為4min。在沖蝕速度為4m/s時，磨粒與靶材的法向速度分量較小，所具有的沖蝕能很少，對靶材的沖蝕破壞作用有限，因此在較低速度時，靶材體積沖蝕率很小，但是通過觀察發(fā)現(xiàn)，4m/s的沖蝕速度超過了沖擊速度的門檻值，是足以對靶材造成體積損失的。在較大的沖蝕速度時，磨粒具有更大的動能，沿靶材法向的分量更大，因此磨粒與靶材接觸時產(chǎn)生的應(yīng)力也就增大，造成的體積損失變大。通過觀察圖3中高鋁澆注料預(yù)制件內(nèi)部切面體積磨損率隨沖蝕速度的增大曲線時可以發(fā)現(xiàn)，其體積沖蝕率隨著沖蝕速度的增大是穩(wěn)定增大的，沒有出現(xiàn)跳躍式的增大或者下降，這是因為高鋁澆注料預(yù)制件內(nèi)部切面骨料與基質(zhì)的比例是均勻的，但是觀察高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面在沖蝕速度為8m/s時可以發(fā)現(xiàn)，其體積沖蝕率有一個突然增大的趨勢，這是因為對于材料原始成型面來說，骨料與基質(zhì)的比例并不均勻，硬度低，耐磨性相對較差的基質(zhì)占了絕大部分的比例，因此在較高的沖蝕速度下，基質(zhì)部分由于沖蝕作用很快剝落，造成體積流失，因此體積沖蝕率迅速增大。

對比圖3中不同測試面的體積磨損率也可以看出，高鋁澆注料預(yù)制件內(nèi)部切面的體積磨損率在不同沖蝕速度下均小于原始成型面，且內(nèi)部切面體積磨損率增長率明顯小于原始成型面，這與材料本身可以造成體積損失的門檻沖蝕速度有關(guān)，也與磨粒自身的沖蝕速度有關(guān)。

圖4為高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面和內(nèi)部切面在4m/s、6m/s、8m/s沖蝕速度下的沖蝕形貌圖。

由圖4(a)可以看出，對于高鋁澆注料預(yù)制件原始成型面，在4m/s的沖蝕速度下，靶材表面基質(zhì)部分并沒有發(fā)生大面積的體積損失，骨料尚未裸露，沖蝕磨損機(jī)理多以切削為主，可以在圖中看出基質(zhì)由于受到磨粒沖蝕作用的劃痕，但是大部分基質(zhì)形貌完好，所以此時靶材體積沖蝕率很小。對于圖4(c)，當(dāng)磨粒沖蝕速度達(dá)到8m/s時，同樣是對于靶材原始成型面，表面基質(zhì)基本被沖蝕完全，高鋁骨料已經(jīng)完全裸露，作為抵抗沖蝕作用的部分，基質(zhì)散布在骨料與骨料的間隙，但是骨料表面基本不存在可視的微裂紋。由圖4(b)可以看出，對于高鋁澆注料預(yù)制件內(nèi)部切面，在4m/s的沖蝕速度下，靶材內(nèi)部形貌完整，并無明顯破壞痕跡，骨料堆積均勻，無裂紋產(chǎn)生。隨著沖蝕速度的不斷增大，磨粒對靶材接觸點(diǎn)的沖蝕應(yīng)力不斷增大，直到高鋁骨料無法承受磨粒帶來的沖蝕作用。通過圖4(d)可以看出，當(dāng)沖蝕速度增大到8m/s，靶材表面基質(zhì)已經(jīng)全部剝落，少量骨料表面萌生了橫向裂紋與縱向裂紋，而裂紋的萌生和擴(kuò)展是導(dǎo)致高鋁澆注料預(yù)制件靶材體積損失的主要原因，此沖蝕速度下的體積磨損主要來自被破壞的骨料。通過對比相同沖蝕速度下的高鋁澆注料預(yù)制件不同測試面可以看出，內(nèi)部切面由于始終是耐磨性更好的骨料承受沖蝕作用，沖蝕破壞發(fā)生的更加穩(wěn)定，反映到體積磨損率曲線上則表現(xiàn)為平穩(wěn)的增長，但是對于原始成型面，當(dāng)沖蝕速度較小時，無法提供足夠的沖蝕磨損能量，導(dǎo)致材料體積磨損率很小，但是當(dāng)沖蝕速度增大后，靶材表面基質(zhì)無法承受磨粒帶的沖蝕破壞作用，很快被沖蝕完成，骨料也存在由于裂紋的擴(kuò)展而脫落的現(xiàn)象，因此體積磨損率迅速增大，導(dǎo)致曲線斜率很大。