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.     

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.     

微动频率对钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳行为影响研究

拉扭复合微动腐蚀疲劳是深井提升钢丝绳主要失效形式之一,深井提升钢丝绳振动频率决定钢丝间微动频率,直接影响钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳机理和损伤程度,进而制约深井提升钢丝绳服役安全性. 本文作者通过自制钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验机开展了酸性电解质溶液中钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验,通过钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线分析了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态及轴向和扭转方向钢丝耗散能,运用扫描电子显微镜和三维白光干涉表面形貌仪考察了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝磨痕形貌和磨损深度轮廓特性,采用X射线三维成像系统揭示了钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳裂纹扩展演化规律,通过电化学分析仪分析试验后钢丝Tafel极化曲线和阻抗谱以探究钢丝电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性,揭示了微动频率对拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态、钢丝耗散能、微动磨损机理、疲劳裂纹扩展演化和疲劳寿命、电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性的影响规律. 结果表明:在拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中,随着微动频率的增加,钢丝间由完全滑移和部分滑移混合状态变为完全滑移状态,钢丝扭矩-扭转角滞后现象削弱,钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线对应的耗散能均总体降低,钢丝间摩擦系数和钢丝磨损深度均降低,钢丝磨损机理均为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损,钢丝最大裂纹深度和裂纹扩展速率均降低,疲劳寿命增加,钢丝电化学腐蚀倾向下降和耐腐蚀性增强.      

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.     

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。     

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.      

碳纤维切向微动磨损特性研究

在自制的多功能微动腐蚀试验机上,通过改变法向载荷和位移幅值,以碳纤维为研究对象开展球-面接触模式下的微动磨损试验. 建立了微动运行工况图、F_t-D曲线和摩擦系数曲线,探究了碳纤维的微动磨损运行特性;结合光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、白光干涉仪和X射线光电子能谱(XPS)对磨损形貌及磨屑成分进行了分析,探究了碳纤维的微动磨损机理. 结果表明:随法向载荷的减小、位移幅值的增加,微动磨损区域由部分滑移区、混合区向滑移区转变. 摩擦系数随法向载荷的增加而减少,随位移幅值的增加而增加. 磨损体积随法向载荷和位移幅值的增加而增加;在部分滑移区和混合区,磨损率随载荷的增加而减小,在滑移区,磨损率存在波动,但依旧呈上升趋势. 混合区和滑移区的磨损机理为磨粒磨损、剥层和氧化磨损,但混合区氧化磨损较为严重. 位移幅值和法向载荷对碳纤维微动磨损行为影响较大,对摩擦系数以及磨损体积也有较为显著的影响. 混合区和滑移区微动磨损机理主要表现为磨粒磨损、剥层和氧化磨损.      

钢丝微动磨损的评定参数及理论模型研究

以6×19点接触式提升钢丝绳作为研究对象,对其钢丝微动损伤过程进行了实验室模拟;在自制的钢丝微动磨损试验机上考察了钢丝试样磨损深度随微动磨损试验时间的变化,并采用接触应力与微动速度的乘积(pv值)和pv值与微动时间的乘积(pvt值)作为评价钢丝微动磨损深度变化的综合参数.结果表明:在相同接触载荷下,钢丝微动磨损深度随pv值增加而减小,磨损深度同pvt值之间基本呈线性关系;根据这种线性关系建立了钢丝微动磨损的理论模型,并用试验结果进行了验证;试验结果和理论计算结果吻合,误差较小,且该模型可应用于其它微动磨损工况.     

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析.结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响.在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50 N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区.摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小.磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化.同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失.随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大.磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损.     

聚全氟乙丙烯的微动磨损

研究了球－盘点接触和面接触微动条件下聚全氟乙丙烯（以下简称ＦＥＰ）的微动磨损特性。发现球－盘接触对ＦＥＰ的微动磨损以带状磨屑挤出为主。而常规负荷条件下的球－盘接触形式并不适合于研究聚合物的微动磨损。采用面接触形式可以显著降低接触应力，同时也便于对聚合物微动表面的观测。结果表明，在面接触条件下，ＦＥＰ的微动损伤表面可明显地分成３个区：中心区为磨屑产生区；高应力区为磨屑阻挡区；阻挡区之外为轻微滑动区，     

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。     

扭动微动条件下含水气氛对氧化行为的影响

对7075铝合金/GCr15摩擦副在不同湿度条件下扭动微动的损伤行为、氧化行为进行了研究.建立了7075铝合金在不同湿度条件下的扭动微动运行工况微动图.采用SEM、XPS对不同湿度环境下的磨损机制、氧化行为及其影响因素进行了分析.结果表明:湿度对7075的扭动微动运行存在显著影响,随着湿度的增加,摩擦扭矩明显降低;部分滑移区的磨损发生在接触边缘,损伤轻微;混合区和滑移区发生强烈的塑性变形,损伤严重,其主要磨损机制是磨粒磨损和剥层;潮湿空气增加了界面滑移,反应生成的氧化磨屑起到了润滑剂的作用,减轻了磨损.     

基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析

为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命,本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型,包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型．分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况,并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测．主要结论如下：钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大,中心处几乎没有相对滑动,微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘;经不同区域子模型分析比较,在轴向循环荷载作用下,外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤;在横向位移循环荷载作用下,同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异,且相比轴向循环拉伸,该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低;与非接触区域相比,接触区的疲劳寿命大幅降低,微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用．