Inconel 718激光熔覆合金层切向微动磨损特性研究

采用激光熔覆沉积技术制备Inconel 718合金试样,通过自主研制的多功能复合微动摩擦磨损试验机,在平面/球的点接触模式下进行切向微动磨损试验,探究合金试样在不同法向载荷和不同位移幅值下的磨损特性.试验结束后,对获得的摩擦力-位移曲线、摩擦系数曲线和耗散能等结果进行详细的动力学特性分析,再采用扫描电子显微镜和三维形貌仪对磨损表面及磨痕截面进行微观分析,得到其磨损形貌及主要的磨损机制.结果表明：当位移幅值不变时,随着法向载荷的增加,微动运行状态由完全滑移区转变成混合区,材料的磨损损伤逐渐加剧,微动磨损导致的能量耗散增加;随着位移幅值增加,材料的磨损损伤同样加剧;微动磨损区域出现裂纹的萌生和扩展现象,其主要的磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和磨粒磨损.     

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.      

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值,通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合,证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明:建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升,到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性,随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关,对于确定的接触表面,法向力越大,初始切向刚度越大;初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.      

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜.采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为.在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理.利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试.通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理.结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响.当位移幅值为25μm时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下.小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主.干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.     

人股骨密质骨横断面的微动磨损特性研究

采用配置外加体液恒温循环装置的高精密微动试验台研究了天然活性股骨密质骨/纯钛的微动磨损行为,探讨了不同位移幅值下摩擦系数随循环次数变化的规律.结果表明,在90N法向载荷下,随位移幅值增加,股骨密质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变.当位移幅值较小时,接触表面变形处于弹性协调状态,损伤轻微.随着位移幅值的增加,接触表面变形逐步向弹、塑性变形以及严重塑性变形和粘着转变,微动损伤加剧.与此同时,密质骨试件微动磨痕深度随位移幅值的增加而增大,并同摩擦系数存在良好的对应关系.为了提高密质骨抵抗微动损伤的能力,有必要控制植入体/骨界面的微动幅度和降低摩擦系数.     

位移幅值对铜镁合金微动磨损行为的影响

在研制的多功能微动磨损试验机上,开展了不同位移幅值下铜镁合金微动磨损试验,以研究位移幅值对铜镁合金微动磨损行为的影响. 微动过程中记录摩擦系数曲线与F_t-D-N曲线,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)及三维形貌仪对损伤区域进行了微观分析. 结果显示:随着位移幅值的增加,铜镁合金微动运行状态由部分滑移进入完全滑移,未发现混合滑移状态;部分滑移区中呈现由弹性变形协调逐渐向塑性变形协调转变的趋势. 磨损体积随位移幅值的增加而增加,在完全滑移区中体积损失非常严重. 在弹性变形协调的部分滑移状态下,接触表面损伤轻微,而由塑性变形协调的部分滑移状态下,接触中心出现较大切应力,疲劳裂纹扩展至接触表面导致材料剥落,接触边缘有磨粒磨损和氧化磨损的痕迹. 在完全滑移状态下,接触表面损伤主要为疲劳剥层,磨粒磨损和氧化磨损.      

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

交变载荷条件下NC30Fe合金微动损伤特性研究

针对NC30Fe镍基合金管与1Cr13不锈钢圆柱配副件,采用"十"字交叉接触方式,在改进的PLINT微动试验机上进行交变载荷条件下微动磨损试验.试验环境温度为25℃(air)、300℃(air)和300℃(N2);切向位移幅值为100~200μm,切向微动频率为2 Hz;法向载荷为20和50 N,法向激振频率为10和50 Hz.结果表明:在法向激振力叠加作用下,NC30Fe镍基合金Mises等效应力幅值较静载荷时大,疲劳累积损伤严重,微裂纹更易萌生并扩展.微动疲劳剥落成为磨损中后期主要损伤形式,清洗后磨痕表面形貌呈现大量剥落坑.第三体层形成后具有承载、传递和吸收激振能量作用,三种环境下,第三体层厚度和氧化程度不同,对疲劳剥落作用结果影响较大.     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

Frictional energy dissipation in contact of nominally flat rough surfaces under harmonically varying loads

If the nominal contact tractions at an interface are everywhere below the Coulomb friction limit throughout a cycle of oscillatory loading, the introduction of surface roughness will generally cause local microslip between the contacting asperities and hence some frictional dissipation. This dissipation is important both as a source of structural damping and as an indicator of potential fretting damage. Here we use a strategy based on the Ciavarella-Jäger superposition and a recent solution of the general problem of the contact of two half spaces under oscillatory loading to derive expressions for the dissipation per cycle which depend only on the normal incremental stiffness of the contact, the external forces and the local coefficient of friction. The results show that the dissipation depends significantly on the relative phase between the oscillations in normal and tangential load—a factor which has been largely ignored in previous investigations. In particular, for given load amplitudes, the dissipation is significantly larger when the loads are out of phase. We also establish that for small amplitudes the dissipation varies with the cube of the load amplitude and is linearly proportional to the second derivative of the elastic compliance function for all contact geometries, including those involving surface roughness. It follows that experimental observations of less than cubic dependence on load amplitude cannot be explained by reference to roughness alone, or by any other geometric effect in the contact of half spaces.     

Physics-based modeling for fretting behavior of nominally flat rough surfaces

A physics-based modeling approach for fretting behavior of nominally flat rough contact is proposed. This approach employs physics-based models for partial slip of spherical contacts to formulate the contact forces at asperity tips. The individual asperity forces are added by a statistical method to obtain the fretting response of a flat rough contact. This approach suggests the plasticity index as an important parameter for studying the surface roughness effects on fretting. Fretting responses obtained by one of the models favorably compare with experimental results obtained from bolted steel lap joints. Tangential stiffness and energy loss per cycle obtained from the experiments and the model predictions deviate at higher preloads. This discrepancy is due to limitations of the modeling approach in accounting for plastic response to tangential loading.     

弹塑性微凸体侧向接触相互作用能耗

传统的结合面研究多基于光滑刚性平面与等效粗糙表面接触假设,忽略了结合面上微凸体侧向接触及相邻微凸体之间的相互作用,这导致理论模型与实际结合面存在较大出入.针对承受法向静、动态力的机械结合面,从微观上研究了微凸体侧向接触及相互作用的接触能耗.将法向静、动态力分解为法向分力和切向分力,获取弹性/弹塑性/塑性阶段考虑微凸体侧接触及相互作用的加、卸载法向分力-变形和切向分力-位移的关系.通过力的合成定理,从而获取加、卸载法向合力与总变形之间的关系,由于法向分力产生的塑性变形及切向分力产生的摩擦,导致加载、卸载法向合力-总变形曲线存在迟滞回线.通过对一个加、卸载周期内的法向合力-总变形曲线积分,获得一个周期的微凸体接触能耗,包括应变能耗及摩擦能耗.仿真分析表明:微凸体在3个阶段的能耗均随变形的增大而非线性增大.微凸体侧向接触角度越大,能耗越大,且在弹性阶段最为明显.在弹性阶段,仅存在侧向的摩擦能耗,故结合面在低载荷作用下必须采用双粗糙表面假设.在塑性阶段,由于微凸体接触能耗为应变能耗,且接触角对其能耗影响甚微,故结合面在大载荷作用下可采用单平面假设对其进行研究.相对于KE和Etsion模型,本文提出的模型与Bartier的实验结果更吻合.     

Onset of Surface Damage in Modular Orthopedic Implants: Influence of Normal Contact Loading and Stress-assisted Dissolution

Surface damage at interfaces of modular implants results from repeated fretting contacts between metallic surfaces in a corrosive environment. As a first step in understanding this complex process, multi-asperity contact experiments were conducted to characterize roughness evolution due to action of contact loads and exposure to a reactive environment. Cobalt–chromium specimens with surface roughness similar to modular implant were first subjected to only contact loading and subsequently, to alternating contact loads and exposure to reactive environment. During repeated normal contact loading, amplitude of surface roughness reached a steady value after decreasing during the first few cycles. However during the second phase surface roughness amplitude continuously evolved—decreasing during contact loading and increasing on exposure to corrosive environment. The increase in roughness amplitude during surface reaction depended on the magnitude of applied contact loads. A damage mechanism that incorporates contact-induced residual stress development and stress-assisted dissolution is proposed to elucidate the measured surface roughness evolution.     

Physics-based modeling for partial slip behavior of spherical contacts

A physics-based modeling approach for partial slip behavior of a spherical contact is proposed. In this approach, elastic and elastic–plastic normal preload and preload-dependent friction coefficient models are integrated into the Cattaneo–Mindlin partial slip solution. Partial slip responses to cyclic tangential loading (fretting loops) obtained by this approach are favorably compared with experiments and finite element results from the literature. In addition to load-deformation curves, tangential stiffness of the contact and energy dissipation per fretting cycle predictions of the models are also provided. Finally, the critical assumptions of elastically similar bodies, smooth contact surface and negligible adhesion, and limitations of this physics-based modeling approach are discussed.     

Unloading an elastic-plastic contact of rough surfaces

A statistical model for the unloading of elastic-plastic contact of rough surfaces is presented for a single load-unload cycle. The hystereses of load-separation and load real contact area behavior are analyzed for a wide range of surface roughness and loading conditions. The residual topography of the unloaded rough surfaces is also analyzed and the new distribution functions of asperity heights and summit radii of curvature along with a corresponding GW residual plasticity index are presented. A new modified plasticity index (MPI) is suggested which considers the energy dissipation due to unrecovered plastic deformations. This MPI varies from zero for purely elastic contacts to unity for purely plastic contacts and hence, can better define the level of plasticity of contacting rough surfaces compared to the original GW plasticity index.     

考虑粗糙结合面弹塑性接触的黏滑摩擦建模

提出一种同时考虑粗糙面上微凸体弹性变形和塑性接触的切向黏滑摩擦建模方法。采用Hertz弹性理论和Mindlin解描述弹性接触微凸体的切向载荷和相对变形的关系;采用AF(Abbott-Firstone)塑性理论和Fujimoto模型描述塑性接触微凸体切向载荷和相对变形的关系。再利用GW(Greenwood-Williamson)模型统计分析方法建立粗糙表面切向载荷和相对变形之间的关系。将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行对比,并研究了不同塑性指数对切向载荷和相对变形关系的影响。结果表明：与完全弹性接触模型相比,本文模型引入了塑性接触理论,能够更好地描述粗糙表面切向载荷和相对变形关系,并且考虑不同接触条件下弹性变形微凸体和塑性变形微凸体对切向接触载荷的贡献,在微滑移阶段,主要由弹性接触变形影响,而在进入宏观滑移阶段之后,切向行为主要由塑性变形影响。界面切向载荷由黏着和滑移接触作用共同决定,随着切向变形的增加,滑移接触力逐渐增加,而黏着接触力先增加后减少,反映了界面由微滑移逐渐向宏滑移演化的过程。随着塑性指数的增加,粗糙面上发生塑性接触的微凸体数目逐渐增加,切向黏滑行为主要受到塑性接触特征的控制。     

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等. 宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触. 由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触. 此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度. 为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型. 通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律. 研究表明:在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑状态的影响较强,固体接触刚度占界面总刚度的主要部分,界面主要由固体承载;在相同载荷、粗糙度及润滑油黏度工况下,随着卷吸速度的增大,固体接触刚度逐渐减小,油膜刚度占界面总刚度的主要部分;在相同载荷、粗糙度及速度工况下,随着润滑油黏度的增大,油膜刚度基本保持不变,固体接触刚度基本不受润滑油黏度的影响. 通过理论建模准确获得单位面积弹塑性流体动力润滑结合面法向接触刚度,对改善机械装备动态性能、提高机械装备的可靠性具有重要的理论和实际意义.