考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

碱性腐蚀环境下接触载荷对钢丝微动疲劳行为的影响

以矿用钢丝为研究对象,在自制的钢丝微动疲劳试验机上开展钢丝在碱性腐蚀环境下的微动疲劳试验,考察钢丝在应变比为0.8时不同接触载荷下钢丝的微动运行特性,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察钢丝的磨痕和断口形貌,分析其微动磨损和疲劳断裂机理.结果表明:不同接触载荷下钢丝的摩擦系数具有相同的变化趋势,均可以分为4个阶段:跑合期、上升期、下降期和稳定期;4种不同接触载荷下钢丝摩擦副均运行于滑移状态,磨损机制以腐蚀磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和塑性变形为主;钢丝疲劳寿命与磨损量成反比,疲劳断口可分为3个区:疲劳源区、扩展区和瞬断区.     

绳股结构对螺旋接触钢丝间微动摩擦磨损特性影响

钢丝间微动磨损会加剧提升钢丝绳的疲劳损伤,降低钢丝绳的使用寿命,严重威胁矿井提升安全.为了研究绳股结构对螺旋接触钢丝间微动摩擦磨损特性的影响,在自制试验台上开展了拉伸-扭转耦合力作用下钢丝微动磨损试验.结果显示：随着接触力增加,相同直径接触对下钢丝间摩擦系数从0.748减小到0.646,而不同直径接触对下钢丝间摩擦系数从0.941减小到0.911;相比于凹接触对,凸接触对下钢丝表面磨损更加严重,并且不同直径钢丝间磨损深度和磨损系数明显大于相同直径钢丝间磨损深度和磨损系数;钢丝间主要磨损机理为磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损,并且不同直径接触对下钢丝表面疲劳磨损特征更加严重;钢丝疲劳断口的瞬断区存在大量二次裂纹和韧窝形貌,钢丝疲劳断裂失效机理主要为韧性断裂.     

矿用钢丝在腐蚀介质环境下的微动行为研究

钢丝绳中钢丝的锈蚀、磨损或断裂是造成矿井用钢丝绳失效的主要形式。以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝在腐蚀介质环境下的微动磨损试验研究。考察钢丝在模拟矿井淋水腐蚀介质中的微动运行特性,通过磨痕测量微动磨损量,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪对钢丝的微动损伤机理进行分析。结果表明：腐蚀介质影响钢丝的微动运行区域,在干摩擦和中性腐蚀介质下运行于混合区,而在酸性和碱性腐蚀介质下运行于滑移区;腐蚀介质明显降低钢丝的摩擦系数,其中酸性介质下的摩擦系数最小,约为0.36;腐蚀与磨损的交互作用显著加速了材料的流失,酸性腐蚀介质下钢丝的磨痕深度最大;钢丝在干摩擦条件下的损伤机制以材料的塑性变形、粘附涂抹和摩擦氧化为主,而在腐蚀介质环境下的损伤机制转变为磨粒磨损和化学腐蚀。     

钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为的影响研究

采用自制的钢丝微动磨损试验机考察了钢丝的微动摩擦磨损性能，随后将经过一定时间微动磨损试验后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行拉一拉疲劳试验，进而探讨了微动摩擦系数和微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的变化关系；并利用扫描电子显微镜分析了试样磨痕和磨屑的表面形貌．结果表明，在较大的微动振幅下，钢丝的微动摩擦系数变化幅度不大，微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的增加而增大；微动磨损试验后钢丝试样的疲劳寿命同磨损深度成反比关系；可以将疲劳断口划分为4个区域，其同钢丝试样的疲劳断裂过程相对应．     

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9～29 N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9 N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29 N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.     

经不同表面改性处理的钛合金的微动疲劳和微动磨损行为对比研究

对比研究了钛合金微动疲劳(FF)和微动磨损(FW)失效行为,考察了表面喷丸强化和氮化等表面处理对钛合金微动疲劳和微动磨损性能的影响,探讨了钛合金微动磨损和微动疲劳性能的相关性.结果表明,钛合金微动疲劳和微动磨损损伤表面形貌特征相似;当微动位移幅较大、微动区发生整体滑动时,微动接触区磨损有利于延缓微动疲劳裂纹萌生;而在小位移幅、部分滑移情况下,局部磨损促进微动疲劳裂纹萌生.利用喷丸强化在钛合金表面引入残余压应力,可以在降低摩擦系数的同时,提高钛合金抗微动疲劳和微动磨损失效的能力;氮化处理后钛合金表面硬度提高,有利于改善其微动磨损性能,但表面韧性降低导致抗微动疲劳能力降低.因此,在提高表面硬度的同时,不应忽视表层韧性的降低对钛合金微动疲劳性能的不利影响.     

水介质条件下7075合金扭转复合微动磨损特性研究

在新型扭转复合微动试验机上,以7075合金平面/GCr15钢球配副为研究对象,研究水介质对7075合金扭转复合微动磨损行为的影响.在微动动力学特性分析的基础上结合磨痕形貌微观分析,研究水介质环境下7075合金扭转复合微动的磨损机理.结果表明：水介质对扭转复合微动运行和损伤机制存在显著影响,水介质明显地改变了微动运行区域;相比干态,在部分滑移区和混合区,水介质下的剥层现象更加明显,水介质加速了微动损伤.在滑移区,磨损机制主要转变为以磨粒磨损为主,湿润的磨屑能有效降低表面摩擦系数和减缓微动损伤;而单一的水介质会加剧材料的磨损.此外,水介质和干态微动环境中不同倾斜角度下的磨损体积均与累积耗散能分别呈不同的线性关系.     

GCr15钢超声微动疲劳性能研究

由微动产生的裂纹萌生对钢组件的疲劳强度具有重要影响。本文选择GCr15轴承钢,在20kHz超声疲劳试验机提供的循环载荷作用下,测试其超长寿命微动疲劳性能。试验结果显示,在109循环周次下微动疲劳强度影响因子达到0.37。通过电子扫描电镜观察试件磨损面和微动疲劳断口,并分析了高频超长寿命微动疲劳断裂机理。高周疲劳裂纹通常会在磨损面的粘着区与滑移区交界处萌生,超高周疲劳裂纹在粘着区内萌生。微动磨损面的面积以及磨损面的粘着区都随着试件疲劳寿命的增加而增加。     

CuMg0.4合金弯曲微动疲劳损伤特性研究

在不同参数条件下,针对吊弦用CuMg0.4合金在自主设计的弯曲微动疲劳装置上进行了微动疲劳试验,建立了其疲劳寿命S-N曲线,并结合扫描电镜(SEM)、三维轮廓仪、电子探针(EPMA)等微观分析设备对损伤区域进行了微观分析,探究了吊弦材料的弯曲微动疲劳损伤特性及演变规律.结果显示在接触区处于弹性条件下时,其弯曲微动疲劳S-N曲线呈现倾斜的"Z"型特征,微动疲劳寿命随弯曲应力的增大呈现先减小后增大的趋势,微动依次运行于PSR(部分滑移区)、MFR(混合区)、SR(完全滑移区).接触区主要存在磨粒磨损、氧化磨损、疲劳磨损和黏着磨损四种形式的弯曲微动疲劳损伤;微动疲劳裂纹的萌生和扩展从以接触应力控制为主逐渐转为主要受弯曲疲劳应力控制,整个过程分为三个阶段.     

润滑油脂对钢丝微动磨损特性的影响

在自制的微动摩擦磨损试验机上,以矿用钢丝为研究对象,探讨润滑油脂对钢丝微动磨损特性的影响规律.结果表明:润滑油脂使钢丝微动运行区域中部分滑移区和混合区显著缩小,滑移区增大;摩擦系数和磨损量显著降低,跑合期延长;润滑油脂条件下,部分滑移区损伤轻微,环状区域较光滑,混合区和滑移区摩擦氧化减少,损伤以表面疲劳及磨粒磨损为主,磨痕表面较平滑,损伤程度明显小于干摩擦条件.     

定、变载弯曲疲劳钢丝绳失效机理对比研究

为对比揭示定、变载弯曲疲劳钢丝绳断裂机理及磨损演化特性，运用自制钢丝绳弯曲疲劳试验机开展钢丝绳定载、变载弯曲疲劳试验，通过人工拆股统计法和VW-9000系列高速度数码显微系统对比研究钢丝绳断丝分布、断丝数、断口和磨痕形貌等断裂机理，对比分析钢丝绳未断钢丝和断丝的磨痕尺寸演化特性. 结果表明:与钢丝绳定载弯曲疲劳相比，变载弯曲疲劳钢丝绳断丝出现较晚，芯股、螺旋股外层断丝数分别较多、较少，芯股外层钢丝断口挤压变形较大，芯股各层钢丝断口裂纹扩展区占比较低，芯股和螺旋股的各层钢丝磨痕尺寸总体较小，钢丝绳更易达到报废水平.      

微动磨损与微动疲劳寿命的计算与分析方法

微动损伤常见于工程中,可使紧固件松动,疲劳寿命减少和腐蚀增加,造成较大的安全隐患和经济损失．微动损伤的试验耗时耗力,还不宜损伤的直接观察,辅以计算模拟和分析十分必要．本文重点介绍微动磨损和微动疲劳寿命计算的一些方法和分析准则．其中,微动磨损计算主要介绍基于Archard公式,结合有限元计算的分析方法,以及相应的多层节点更新方法．对于微动疲劳寿命的计算和分析,主要介绍基于多轴疲劳临界面准则的判别准则,尤其是基于能量准则的Smith-Watson-Topper参数．重点介绍如何在微动条件下实现磨损与疲劳寿命的耦合求解,以及损伤的累积和破坏的判定．通过一个简单算例说明了微动磨损对其疲劳寿命可有很大的影响．     

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。