标准超声振动气蚀孕育期内材料响应与表面形貌

材料在气蚀孕育期内仅发生极轻微的磨损,但以弹/塑性变形和晶粒拔出等方式对气蚀做出响应,具体的响应方式则随材料种类而不同.通过对孕育期内材料响应和磨损表面形貌的研究,探索不同材料响应与磨损表面形貌的关系,从而建立以表面粗糙度测量和光学显微镜观察等方式进行材料孕育期的研究.本文在标准超声振动气蚀试验机上进行了纯铜、镍基合金Hastelloy C-276和Sialon陶瓷共三种材料的气蚀试验,着重考察了它们在各自孕育期内的表面粗糙度参数（表面粗糙度R_a和核心粗糙度深度R_k）以及蚀坑面积比的变化.研究结果表明：纯铜和Hastelloy C-276在孕育期内主要以塑性变形为主.R_k不仅可以更好地反映孕育期乃至整个气蚀过程的材料表面形貌变化,还能反映不同金属在孕育期内塑性变形的程度.Sialon陶瓷在孕育期内以新蚀坑的形成为主,伴随着少量蚀坑的长大,蚀坑面积比很好地表征了陶瓷材料孕育期的变化.     

高温氧化处理前后Inconel 718高温合金摩擦学性能的探究

为了研究高温氧化处理前后Inconel 718高温合金摩擦学性能的差异,对Inconel 718高温合金在1 000℃大气环境下进行高温热处理,并进行25~800℃宽温域摩擦试验.利用扫描电子显微镜、三维轮廓仪、X射线衍射仪对Inconel 718高温合金的表面形貌、磨痕形貌、物相组成和结构进行分析.Inconel 718高温合金经热处理后物相组成发生了明显变化,晶化程度提高.在表面形成了类网状凸起结构,其组成主要为Cr_2Ti_7O_(17)和Cr_2O_3混合相,这是由于高温热处理使Inconel 718高温合金的Ti和Cr元素沿晶界发生了扩散,至表面后与大气中的氧反应,生成Cr_2Ti_7O_(17)和Cr_2O_3混合相.高温氧化后的Inconel 718高温合金摩擦系数和磨损率与未处理时相比有所降低,磨痕形貌有了明显变化,将这种变化归功于类网状凸起结构的减摩抗磨作用和其组成相中Cr_2Ti_7O_(17)的润滑作用.     

表面机械滚压处理(SMRT)316L不锈钢梯度纳米层在腐蚀介质下的摩擦学行为研究

采用表面机械滚压处理(surface mechanical rolling treatment，SMRT)技术在316L奥氏体不锈钢表面构筑了梯度纳米结构层. 利用透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪等分析其微观组织、力学性能等基础上，重点探讨了SMRT前后316L在1 mol/L HCl溶液(以纯水环境作为对比组)中的摩擦学行为. 结果表明:经SMRT加工后316L表面梯度纳米晶层厚度达200 μm以上，表面硬化层厚度超过1.5 mm，表面硬度提升至基体近2倍；SMRT大大减缓了材料磨损，与基体试样相比，SMRT试样在腐蚀介质下减摩效果比纯水环境更明显，且在腐蚀环境下表现出优异的耐腐蚀性能，其磨损机制由处理前伴随严重剥落特征的疲劳磨损和磨粒磨损转变为轻微疲劳磨损. 因此，316L不锈钢机械滚压梯度纳米层在腐蚀服役环境下具有较高的潜在工程应用价值.      

多相流作用下锡黄铜的空蚀-冲蚀行为

采用空蚀-冲蚀联合作用试验机测试和扫描电镜(SEM)分析相结合研究了锡黄铜的空蚀-冲蚀行为,考察了水流速度和沙粒对铜合金空蚀-冲蚀行为的影响.研究表明:锡黄铜的抗空蚀能力随水流速度增加而降低,当水流速度增加到一定值时,合金的抗空蚀能力降低幅度减缓,这归因于水流的冲击导致的材料表面硬化;通过铜合金质量损失率曲线分析可知:本文试验条件下锡黄铜在不同流速下的空蚀过程主要包含孕育期、上升期和稳定期;固体颗粒(沙粒)对锡黄铜的抗空蚀能力有不利影响,铜合金在含沙水中的质量损失显著高于同等条件自来水中,这主要是由于在空蚀过程中沙粒的冲击破坏所造成.观察试验后样品表面形貌,发现合金表面有由空蚀/冲蚀作用所造成的唇片、凹坑和沟槽等特征形貌.     

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.      

AISI 4340钢干滑动摩擦磨损特性研究

室温条件下,采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪对AISI 4340钢进行了往复干摩擦磨损试验,研究了其摩擦磨损特性.采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对磨痕和亚表层进行了观察和检测,分析了磨损表面微观形貌、亚表层塑性变形和碳氧元素含量演化.结果表明:磨损形式以磨粒磨损为主,并伴随轻微黏着磨损和剥落磨损;磨损表面分布着长度、宽度、深度不一的划痕以及鳞片状和颗粒状磨屑;磨损表面出现轻微氧化,磨屑呈现不同程度的碳富集和氧化;亚表层出现明显摩擦影响层,距表层越近,塑性变形越明显,晶界角逐渐汇聚于表面,在表面处趋于平行;往复运动导致塑性变形方向不一致,磨痕中部,塑性变形向某位置聚集.     

空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

表面纳米化对316L不锈钢低周疲劳性能的影响

超声喷丸(USSP)处理工艺在316L不锈钢表面制备出了纳米表面晶层,对表面纳米化后和未表面纳米化的316L不锈钢试样进行对比拉拉低周疲劳试验,运用数理统计学的方法分析研究了表面纳米化处理对316L不锈钢的低周疲劳性能的影响,并就表面纳米化对疲劳性能的影响机理进行了初步分析探讨.研究结果表明,超声喷丸表面纳米化处理可以有效地提高316L不锈钢的低周疲劳寿命;超声喷丸处理在表面所形成的残余压应力、晶粒细化的纳米强化表层是疲劳寿命提高的主要原因.     

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.     

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。     

钢结构表面涂层受风沙冲蚀机理和评价方法

内蒙古中西部地区钢结构表面涂层受风沙冲蚀磨损严重.在模拟钢结构涂层受风沙冲蚀磨损试验的基础上,应用扫描电子显微镜(SEM)观测涂层在不同冲蚀条件下的冲蚀磨损部位微观形貌,分析涂层材料受风沙冲蚀磨损的损伤机理,提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法.结果表明:低角度冲蚀时微切削作用占主导,硬度起决定作用,高角度冲蚀时挤压变形占主导,柔韧性起决定作用,由于涂层硬度较低,柔韧性好,所以高角度时涂层的耐冲蚀性能较好;最大冲蚀磨损失重量出现在45°左右,是由于该材料具有介于塑性和脆性材料之间的冲蚀磨损特性;速度越大,粒子的动能越大,冲蚀磨损失重量越大;在低浓度时,冲蚀磨损失重量随着浓度的增加而增加,而在高浓度时则出现下降的趋势;评价公式的计算结果与实验结果吻合.研究结果为钢结构涂层的耐久性研究提供了理论依据.     

微颗粒对超声空蚀影响的试验研究

为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制,使用超声振动空蚀试验装置对45钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究,使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面,对空蚀坑的数量分布及微观结构进行分析,结果表明空蚀破坏程度与SiO₂悬浊液浓度有重要关联. SiO₂悬浊液存在1个临界浓度,小于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而增大;大于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱. 空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱,但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大. 相比于纯水介质,添加SiC、Al₂O₃和SiO₂微颗粒均会加剧空蚀破坏程度,其中,SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著. 相比之下,Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱,起到了抑制超声空蚀的作用,这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.      

水工混凝土小角度冲蚀磨损特性的研究

选用55kW的3GQ-2/70型高压清洗水射流装置作为水工混凝土的冲蚀磨损设备,考察了小角度条件下含沙高速水射流作用下混凝土材料的冲蚀磨损性能。结果表明：混凝土肥到严重的冲蚀磨损;在冲击角度较小时,混凝土材料的冲蚀磨损机制主要表现为硬质磨粒沿水平速度方向的切削作用,以及沿垂直方向的冲击作用导致的表面裂纹和脆性断裂;钢纤维对混凝土材料的小角度冲蚀破坏有明显的增强作用。     

磨料水射流冲蚀金属损伤形貌特征及机理研究

针对前混合磨料水射流冲蚀过程,进行了冲蚀试验及仿真研究.从试验中得到了材料冲蚀损伤形貌特征.采用SPH耦合FEM方法建立相应的冲蚀模型,对材料冲蚀过程进行模拟分析,揭示了材料损伤形貌特征产生的机理.结果表明:随着冲蚀深度的增加,磨料颗粒的冲蚀动能逐渐减小,冲蚀角度逐渐增大,材料冲蚀损伤由微切削和微犁削逐渐变为冲击变形,材料冲蚀损伤断面的形貌特征逐渐恶化,具体表现为拖尾角和表面粗糙度逐渐增大.不同金属材料损伤断面形貌特征具有相似性,但是金属材料属性的差异会对磨料冲蚀过程产生影响,导致条纹在材料损伤断面上的分布和条纹角度出现差异.由于材料损伤形貌特征受控于磨料颗粒运动特性,因此材料冲蚀断面质量改善应该从改变磨料颗粒运动特性角度出发,这为进一步研究材料冲蚀断面质量改进奠定了理论基础.     

The relation between the high speed submerged cavitating jet behaviour and the cavitation erosion process

In order to accurately and reliably evaluate the cavitation erosion resistance of materials using a cavitating jet generator, the effects of the hydrodynamic parameters and the nozzle geometry on the erosion process were investigated. Since the behaviour of a high speed submerged cavitating jet is also depending on the working conditions; their influence is also discussed based on the evaluation of cavitation erosion process. The erosion rate was used as an indicator for cavitating jet behaviour. Specimens of commercial-purity copper were subjected to high speed submerged cavitating jets under different initial conditions, for certain time periods. The force generated by jet cavitation is employed to initiate the erosion in surface. The tested specimens were investigated with a digital optical microscope and a profilometer. It was found that erosion becomes more pronounced with decreasing cavitation numbers, as well as with increasing exit jet velocities. The nozzle configuration and hydrodynamic parameters have strong influences on the erosion rate, eroded area and depth of erosion. A comparison between the obtained results explains some of the mechanisms involved in cavitation and erosion processes and their relation to the tested parameters. Mathematical expressions which combine these parameters with the erosion rate are obtained. These parameters are very important in order to control the cavitation as a phenomenon and also to control the performance of the cavitating jet generator.     

固壁空蚀数值研究

空蚀是空泡在固壁附近溃灭对固壁材料产生破坏的现象。本文将空泡界面假设为自由面，并由VOF(Volume of Fluid)中界面构造精度较高的Youngs方法求解，通过直接计算原始变量的Navier-Stokes方程，数值模拟了空泡距固壁不同位置时溃灭对固壁造成的空蚀破坏。计算发现空泡溃灭产生高压脉冲相对于高速射流对空蚀形成起主导作用；空泡在流场中位置不同，高压脉冲对固壁上的空蚀破坏结果不同，并给出了距离界限。     

B4C/(W,Ti)C陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损机理研究

采用热压烧结工艺制备了B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴；采用SiC、白刚玉和棕刚玉磨粒对所制备的喷砂嘴进行冲蚀试验，在应力分析基础上探讨了陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理，结果表明：B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴的冲蚀率随着磨粒硬度和粒度的提高而增大；喷砂嘴入口磨损最严重，出口次之，而中间区域磨损相对较轻；相应的应力分析结果同试验结果相吻合；以棕刚玉作为冲蚀磨料时，B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴主要呈现应力疲劳断裂冲蚀特征，而以白刚玉和SiC作为冲蚀磨料时，喷砂嘴入口处主要呈现脆性断裂冲蚀特征，中问区域则主要呈现应力疲劳断裂冲蚀特征。     

镧对38CrMoAl钢氮化层组织和抗冲蚀磨损性能的影响

考察了在气体氮化渗剂中加入微量镧元素对３８ＣｒＭｏＡｌ钢氮化层组织,韧性及抗冲蚀磨损性能的影响。试验结果表明,含镧的氮化层的韧性和抗冲蚀磨损性能明显优于普通氮化层。这是由于镧在氮化时渗入到钢表层并发生微合金化,从而改善渗层的组织所致,采用扫描电子显微镜对冲蚀磨损试样表面形貌进行观察发现,普通氮化层的磨损机理为塑性变形及犁沟剥落,并伴随着横向裂纹的萌生和大块磨屑的剥落,而含镧的氮化层和磨损机理为塑性