天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

关节软骨与髋关节陶瓷材料往复旋转运动摩擦行为研究

针对半髋置换的磨损问题,采用天然关节软骨与髋关节陶瓷材料在往复运动试验机上进行摩擦学试验研究.将关节材料测试领域常见的往复运动方式变为往复旋转运动方式以更加接近仿生.研究中还对摩擦时间、负载、速度和润滑的影响进行了研究,对材料形貌进行观测和分析.结果表明:随着载荷的增大摩擦系数相应减小,随着载荷从10 N增至22 N,软骨与陶瓷球头之间的摩擦系数从0.068降至0.049.随着速度增大摩擦系数增大,载荷为10 N时,速度从10 mm/s增至20 mm/s时,配副摩擦系数从0.068增至0.093.经过长时间试验,往复旋转运动方式下关节软骨表面出现磨损.透明质酸溶液作为润滑剂可以有效降低摩擦.试验后软骨表面粗糙度有小幅度增大,磨损形式是磨粒磨损和表面疲劳磨损两种方式.     

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.     

SUS 304奥氏体不锈钢的摩擦变形层研究

研究了SUS 304奥氏体不锈钢与Al2O3陶瓷球以及GCr15轴承钢球对摩的摩擦特性,利用X射线衍射仪、金相显微镜和显微硬度计研究了SUS 304奥氏体不锈钢磨痕表层及其次表层硬度、磨痕表面的马氏体转变与试验条件的关系.结果表明:当载荷大于30 N后,摩擦系数在剧烈波动前存在1个与试验时间或滑动距离相关的孕育期;SUS 304奥氏体不锈钢磨痕表层的显微硬度从次表层至表层呈上升趋势;在相同滑动速度下,随着载荷增加,磨痕表层的显微硬度增大;摩擦诱发了亚稳奥氏体向马氏体转变,且磨痕表层诱发转变的马氏体含量随载荷和滑动速度的增加而降低;在载荷和摩擦剪切应力作用下,由于表层晶粒细化、相变马氏体和高密度位错的综合作用使得其显微硬度增大.     

新型牙齿正畸丝材料在唾液中的往复滑动摩擦磨损特性研究

采用小振幅往复滑动摩擦磨损试验机评价了新型牙齿正畸丝材料13Cr24Mn0.44N不锈钢在水和唾液中的摩擦磨损行为,并探讨其磨损机理.结果表明:在唾液中活性成分的作用下,试样表面生成了软质易剪切的表面膜,使得摩擦系数降低,同时部分残留于磨痕中的磨屑在水或唾液介质润滑下承担了类似滚动轴承中"滚珠"的角色,进一步降低了摩擦系数;在2种介质中磨痕深度均随载荷增大而增加,但在唾液中的磨痕深度均小于在水中的磨痕深度,磨损和腐蚀之间呈现"负交互"作用;不锈钢在水中的磨痕呈现微切削和犁沟机制,在唾液中小载荷下的磨痕与水中相似,磨痕呈现微切削和犁沟机制,但在较大载荷时的磨损机制为疲劳脱层并伴有显微切削.     

金属橡胶隔振构件中不锈钢丝的微动摩擦磨损性能研究

以金属橡胶隔振构件疲劳试验数据为基础,将柱-块摩擦样品表面刻槽以嵌入并固定钢丝,在SRV高温摩擦磨损试验机上评价φ0.3 mm的冷拉拔1Cr18Ni9不锈钢钢丝在不同载荷下的微动摩擦磨损性能,用激光扫描共焦显微镜对其磨痕表面进行分析.结果表明:冷拉拔不锈钢丝的表面粗糙度Ra值为3.447μm;在磨损初期阶段,需要约28s打磨其表而的凹凸体;由不锈钢丝"微动单元"的摩擦曲线可以将其磨损过程划分为表面打磨、接触面黏着、第三体床形成以及稳定磨损4个阶段,其中稳定磨损阶段的摩擦系数相对平稳,磨痕表面光滑程度高于基体的原始表面,磨痕深度介于50～60μm之间.     

γN相/Si3N4陶瓷球摩擦副在干摩擦条件下的磨损机制转变图

采用等离子体源渗氮技术在AISI 316奥氏体不锈钢表面制备γN相层.研究了γ_N相层/Si_3N_4陶瓷球摩擦副在球-盘式磨损仪、载荷2~8 N、滑动速度0.15~0.22 m/s干摩擦条件下的磨损行为,基于详细的磨痕表面和磨屑显微分析,通过响应面分析法建立γ_N相层在此状态下的磨损机制转变图.结果表明:γ_N相层在低载荷下的磨损机制主要是氧化磨损;而在较高载荷下的磨损机制主要是塑性变形和磨粒磨损.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案，通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能，利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析，采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算，结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果，探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为，织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果，与未织构表面相比，其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中，润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应，润滑油产生的升力较大，改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态，从而呈现很好的摩擦学性能.      

氮合金化堆焊合金往复式摩擦磨损行为的研究

在马氏体不锈钢中引入氮，通过铌、钛固氮制备氮合金化堆焊合金. 利用往复式摩擦磨损试验机测试加氮和未加氮两种堆焊合金在不同载荷(5、10和15 N)下的摩擦磨损性能，研究了其摩擦磨损行为. 结果表明:在摩擦磨损过程中，堆焊合金表面承受周期性载荷，摩擦表面出现明显的切削痕和塑性变形，其磨损机制以磨粒磨损和表面疲劳磨损为主. 氮合金化堆焊合金中，碳氮化物沿马氏体基体、晶界弥散析出，起到了明显的细晶强化和弥散强化作用，增强了基体的塑性变形抗力以及抵御磨粒磨损的能力，使磨损表面切削痕数量更少、深度更浅，抗疲劳剥落现象得到明显改善.      

不同摩擦工况下纯铁试样表面磁记忆现象研究

采用纯铁圆盘试样与标准碳钢钢球(45钢)组成球-盘摩擦副进行旋转摩擦试验,研究在干摩擦条件下,不同的滑动速度及法向载荷下摩擦表面的磁记忆现象.试验结果表明:磨损前后磁记忆信号存在较大差异,磨损后的磁记忆信号在磨痕处出现信号突变,此突变信号可以准确地表征磨痕的位置及磨痕的宽度.对磁记忆信号进行梯度处理,可以发现不同工况下磨痕处的信号峰面积S、交点距n及梯度峰峰值Vpp三者均不相同,且与磨痕的特征存在一定的关系.此外,通过获取不同干摩擦条件下磨痕处的梯度信号特征值,发现信号峰面积S、交点距n及梯度峰峰值Vpp三者均随滑动速度及法向载荷的增大而增大.     

2024铝合金在干摩擦往复运动条件下的磨损图研究

研究了 2 0 2 4铝合金 / 4 5 #钢摩擦副在干摩擦往复运动条件下的摩擦学特性 ,系统考察了载荷 98～ 4 90 N和速度0 .0 83～ 1.16 7m/ s范围内摩擦副材料的磨损行为 ;通过对磨损表面、断面以及铝在摩擦偶件的转移膜及磨屑的显微分析 ,建立了 2 0 2 4铝合金的磨损机制转变图 .结果表明 :2 0 2 4铝合金在低速和轻载条件下的磨损机制主要是磨粒磨损和剥层磨损 ;而在高速重载条件下的磨损机制主要是严重熔融磨损 ,并伴随向偶件材料表面的大量转移     

冲击接触加载下人体天然牙的磨损行为研究

在自制的小载荷冲击磨损试验机上,对离体人牙进行了不同循环次数的冲击加载试验,结合微观分析,研究了人体天然牙的冲击磨损行为.结果表明:人牙表面的磨损体积随冲击次数增加呈非线性增大.在冲击磨损初期,人牙表面呈现轻微塑性变形;随着时间增长,磨损表面出现剥落,磨损加剧;随着时间继续增长,磨损表面形成磨屑层,磨损速率减缓.研究还发现,人牙磨损表面硬度随冲击次数增加而增大.     

碳黑填充超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了载荷及偶件表面粗糙度对碳黑填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦磨损性能的影响；利用扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理．结果表明：同UHMWPE相比，碳黑填充UHMWPE的磨损质量损失随载荷增加而增大的幅度较小；偶件表面粗糙度对碳黑填充UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能影响较大，随着偶件表面粗糙度的增大，摩擦系数和复合材料的磨损质量损失均显著增大．UHMWPE及其碳黑填充复合材料在干摩擦条件下同45“钢及SiC喷涂层涂覆45“钢对摩时主要呈现犁削和塑性变形特征，犁削和塑性变形程度随载荷和偶件表面粗糙度增加而加剧。     

热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响

研究了不同热处理条件下Al-Si-Cu合金的力学性能、显微组织及磨损性能.结果表明:与铸态合金相比,T6态合金的晶粒最为细小,Si、Al2Cu和Al Fe Mn Si第二相尺寸变小、变圆整且分布均匀,其力学性能和耐磨性能最好.当载荷小于500 N时,T6态和铸淬态合金的耐磨性能相当,二者表现为磨粒磨损;载荷为500~1 000 N时,Si相受水平方向塑性流变应力作用均匀分布在磨面表面,改善了润滑效果使摩擦系数降低,虽然开始向黏着磨损机制转变,但合金仍保持了较好的耐磨性能;载荷大于1 000 N时,Si相和Al2Cu相周围出现了微裂纹和严重的撕裂状的塑性变形,摩擦系数增大,逐步向剥层磨损转变,合金耐磨性能显著下降.     

B4C/hBN复相陶瓷与球墨铸铁配副摩擦学性能研究

本文中以热压烧结法制备不同hBN质量分数(0%、10%、20%和30%)的B4C/hBN复相陶瓷作为销试样,与球墨铸铁(QT)盘试样在空气润滑条件下进行销-盘式摩擦磨损试验,滑动速度为0.66 m/s,磨程为850 m,载荷为5 N.借助扫描电子显微镜(SEM)观察摩擦表面和磨屑的形貌特征,利用X光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等分析手段表征磨面和磨屑的物质组成,得出复相陶瓷成分、试验参数对配副摩擦学性能的影响.研究表明:hBN质量分数为0%和10%的复相陶瓷(BN00、BN10)与铸铁配副时,磨损机制以黏着磨损为主,摩擦系数为0.5,h BN质量分数为20%和30%的复相陶瓷(BN20、BN30)与铸铁配副时,陶瓷销表面出现连续的表面膜,该表面膜主要由Fe_2O_3、Fe_3O_4、B_2O_3、B_4C及h BN等物质组成,摩擦系数降低至0.2;随着载荷的升高,QT-BN00与QT-BN10配副磨损机制仍以黏着磨损为主,摩擦系数与5 N载荷无明显变化,而QT-BN20与QT-BN30配副摩擦系数随载荷上升而升高,当载荷为10 N时,摩擦系数升至0.6.     

30CrMnSiNi2A钢干滑动摩擦磨损特性研究

利用销盘高速干滑动摩擦磨损试验机,对30Cr Mn Si Ni2A低合金超高强度钢的摩擦磨损性能进行了研究,应用JSM-6390A型扫描电子显微镜和X-衍射方法对摩擦磨损表面进行观察,表征其摩擦表面的微观形貌、摩擦磨损产生的磨屑以及由于摩擦产热而引起的氧化物,进而推断出磨损机制.结果表明:摩擦系数随速度和载荷的增大而减少,其速度是影响摩擦系数的主要因素;在摩擦初期当摩擦系数快速下降时,摩擦表面温度急剧增加,当达到一定数值后二者都形成一个动态的平衡;随着速度和载荷增大,磨损机理主要由氧化磨损转变为剥落、塑性变形、犁沟以及黏着磨损,且磨损表层的氧化物由Fe O转变为Fe_3O_4和Fe_2O_3,当出现Fe_2O_3氧化物时,磨损率急剧升高.     

中碳钢/不锈钢磁场摩擦中磨屑的行为和作用

以45钢销/302不锈钢盘摩擦副为研究对象，采用自制的销、盘摩擦磨损试验机，研究了直流磁场作用下磨屑在摩擦过程中的行为及其对摩擦磨损性能的作用. 为此分析了有、无磁场作用下磨屑在磨损面上的分布特点，利用扫描电镜观察了磨屑及45钢销磨损面的形貌，采用三维形貌仪表征了磨损面特征区域的相对高度. 与无磁场时的摩擦磨损情况相比，磁场作用下45钢销的磨损量有所增大，而摩擦系数稍有减小. 摩擦过程中出现了302不锈钢盘向45钢销的材料转移并形成了不连续的转移层，该转移层相对高度较大，承担了主要的摩擦磨损并趋于平滑. 磁场作用下45钢销磨损面吸附少量磨屑并使之细化和氧化，该吸附磨屑在一定程度上减小了摩擦副的摩擦系数，并阻碍试样之间的材料转移，从而增加了45钢销的磨损量.      

高温润滑脂中WS_2亚微米粒子的摩擦学性能研究

以新型润滑材料WS2亚微米粒子作为高温润滑脂添加剂,对其在高温润滑脂中于不同温度下所起的抗磨、减摩、抗极压等摩擦学性能进行了研究,并用电子探针显微镜和俄歇电子能谱仪分析了钢球磨斑表面形貌与表面典型元素的面分布和深度分布.结果表明:在不同温度尤其高温下,WS2亚微米粒子能显著提高润滑脂的摩擦学性能;在摩擦过程中,WS2亚微米粒子在摩擦副表面形成WS2吸附膜和含Fe、S的化学反应膜来有效减少摩擦磨损,增强润滑脂的抗磨、减摩和极压性能,从而更好地保护摩擦表面.     

水深对POM摩擦学性能的影响

本文中以聚甲醛(POM)作为摩擦副材料,与不锈钢(0Cr17Ni12Mo2)配对,研究了POM在0~300 m不同模拟水深(去离子水)中的摩擦磨损性能,并与大气压下干摩擦进行对比,试验目的主要是探寻水深变化引起的水环境压力变化对POM材料摩擦磨损性能的单因素影响.采用白光共焦三维轮廓仪与扫描电子显微镜对试验前后的表面形貌进行测量与分析.结果表明:模拟水深对POM磨损深度及POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数有较大影响,且有明显规律;在0~300 m模拟水深(去离子水)范围内,随着模拟水深深度的加大,POM的磨损深度和POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数均有所减少;模拟水深对试样摩擦后的表面粗糙度无明显影响;对主导的磨损机理无明显影响.