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.      

位移幅值对690合金管/405不锈钢块切向微动磨损特性的影响

采用自制的微动磨损试验机，开展了690合金管/405不锈钢的切向微动磨损试验，研究了位移幅值(15、30、80和200 μm)对其微动磨损特性的影响. 试验结果表明:当位移幅值改变时，微动运行状态会发生改变. 当位移幅值为15 μm时，微动状态为部分滑移区，此时摩擦系数最小，磨损率最低，微动损伤最轻微；当位移幅值为30 μm时，微动运行于混合区，摩擦系数明显高于部分滑移区；而当位移幅值为80和200 μm时，微动运行于完全滑移区，稳定阶段的摩擦系数与混合区的接近. 总体而言，随着位移幅值的增大，磨痕宽度增大，磨损加剧，磨损体积增加. 部分滑移区的磨损机制主要为黏着磨损和剥层，混合区主要的磨损机制为剥层，而完全滑移区的磨损机制主要为剥层磨损和磨粒磨损.      

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.     

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.      

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.     

两种压铸镁合金的微动磨损行为研究

采用液压高精度材料试验机考察了压铸镁合金AZ91D和AM60B在平面-球面接触条件下的微动磨损行为,研究了循环次数、位移幅值、法向载荷和频率等参数对镁合金摩擦磨损性能的影响,分析了其磨斑表面和磨屑的微观形貌,并探讨了其微动磨损机理.结果表明:镁合金AZ91D和AM60B的摩擦系数随着法向载荷的增加而减小,磨损体积损失随频率增加而减小;AZ91D镁合金的抗微动损伤能力优于AM60B镁合金,二者的微动磨损机理相似,其主要磨损形式包括粘着磨损、表面疲劳(脱层)磨损、磨粒磨损以及明显的氧化磨损.     

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.     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

扭动微动的模拟及其试验研究

在CETR UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上配置高精度低速往复转动台,构成新型试验装置并成功实现了球/平面接触条件下的扭动微动;在低速往复转动台上进行了GCr15钢球(直径10 mm)与LZ50钢在扭动角位移幅值为3°～20°和法向载荷10 N时的扭动微动试验,并在分析其摩擦动力学行为的基础上对LZ50钢的扭动微动损伤特征进行探讨.结果表明:角位移幅值和循环次数对扭动微动行为影响很大;可以通过摩擦力矩-角位移(T-θ)曲线表征扭动微动行为;随着循环次数变化,T-θ曲线呈3种基本类型,即平行四边形状、椭圆状和直线状.扭动微动损伤在低角位移幅值时较轻微,随着角位移幅值增加,出现塑性流动、氧化磨损和剥层.     

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.     

多股螺旋弹簧扭动微动磨损机理研究

基于多股螺旋弹簧工作过程中钢丝表面发生的扭动微动磨损,建立了多股簧受冲击载荷时,各股钢丝间法向接触力及角位移值的数学模型;通过数学模型所得到的试验参数,在新型试验装置上真实模拟了多股簧工作过程中钢丝间发生的柱-柱接触扭动微动;研究了多股簧钢丝在扭动微动条件下的运行行为和损伤机理.结果表明：钢丝间法向接触力大小、角位移幅值及循环次数对扭动微动行为影响很大;扭动微动T-θ曲线在平行四边形状、椭圆状和直线状3种基本类型之间转变;损伤在部分滑移区较轻微,其磨损主要表现为磨粒磨损和轻微氧化磨损;对于混合区和滑移区,损伤加剧,磨痕表面有明显的塑性变形,损伤机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层.     

矿井提升机用提升钢丝绳的微动磨损行为研究

以 6× 19点接触式提升钢丝绳为研究对象 ,将钢丝绳中钢丝的微动损伤过程进行实验室模型化 ,设计制造了钢丝微动磨损试验机 ,并对钢丝试样的微动磨损行为进行了实验研究 ,考察了载荷、循环次数和振幅等对钢丝试样磨损深度的影响 .结果表明 ,钢丝试样的微动磨损深度随载荷、循环次数和振幅的增大而增大 ,在不同磨损工况下钢丝试样磨损率不同 .对钢丝试样的磨损表面形貌进行观察分析发现 ,在微动磨损过程中磨损机制随着微动试验条件而变化 ,而磨损机制在一定程度上反映了钢丝试样的磨损状况     

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.     

7075铝合金扭转复合微动磨损研究

基于低速往复回转系统,通过改变回转系统旋转轴的倾斜角α,成功实现了球/平面接触状态下扭动微动和转动微动的复合,并研究了7075铝合金/GCr15钢球在倾斜角10°和40°及不同角位移幅值下的扭转复合微动行为.在动力学分析基础上,结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDX)、表面轮廓仪等手段分析了扭转复合微动运行行为及损伤机理.结果表明:7075铝合金的扭转复合微动的运行和损伤行为强烈依赖于倾斜角和角位移幅值;随着倾斜角的增加,扭动微动分量减少,转动微动分量增加,复合微动的混合区和滑移区向小角位移方向移动,损伤形貌的非对称性增加,同时磨损机制从剥层和氧化磨损逐渐转变为磨粒磨损和氧化磨损.     

基于共轭梯度法和快速傅立叶变换的粗糙表面微动接触数值研究

实际工程表面多为粗糙表面,研究粗糙表面的表面形貌对微动接触中压力和应力的影响具有重要意义。本文研究接触过程中法向载荷保持不变,切向载荷为周期性的交变载荷。首先,建立接触算法和模型,算法核心是利用共轭梯度法CGM(Conjugate gradient method)计算微动接触中的表面压力及切向应力并利用快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier transform)加快计算速度。然后,对单峰表面、正弦表面和随机粗糙表面的接触进行数值研究。结果表明,表面幅值对切向载荷-位移曲线以及接触过程中的能量耗散有影响,表面幅值越大,相同切向载荷作用下产生的切向位移越大,能量耗散也越大。     

微弧氧化涂层的微动磨损行为研究

在弱碱性电解质液中,采用电弧放电于铝合金表面原位生长制备出厚度约10 μm的Al2O3陶瓷微弧氧化涂层,研究微弧氧化涂层及铝合金基体在干态不同位移幅值下的微动磨损行为及其动力学特性,采用激光共焦扫描显微镜和扫描电子显微镜观察磨痕微观形貌.结果表明:涂层改变了铝合金的微动运行区域,使得混合区和滑移区向小位移方向移动;涂层表面比较粗糙,与铝合金基体相比,在微动初期的摩擦系数较高,但在稳定阶段的摩擦系数有所降低;微弧氧化涂层可以显著降低铝合金的磨损,在部分滑移区损伤轻微,随着位移幅增加磨损加剧;在混合区和滑移区,涂层的损伤主要表现为剥层.     

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.      

类金刚石薄膜的微动行为研究

微动磨损是1种极具隐蔽性和危害性的磨损形式，目前一般通过固体薄膜或流体润滑剂来进行防护.类金刚石碳基(diamond-like carbon, DLC)薄膜具有良好的摩擦学性能，因而广泛应用于各种润滑.探索DLC薄膜的微动行为对预防和减轻机械微动损耗至关重要.本文作者通过调控法向载荷和位移幅值，开展了DLC薄膜的微动摩擦试验，探究二者对DLC薄膜微动摩擦行为的影响，并结合各种表征手段研究薄膜损伤情况及磨损机理.结果表明：在微动试验中二者的大小会直接影响微动接触状态；微动磨损在部分滑移区和完全滑移区的磨损机理不同；施加的载荷和位移幅值调控着摩擦界面的氧化程度、碳质转移膜形成及DLC薄膜石墨化程度，从而决定了DLC薄膜的减摩耐磨机理.此工作为DLC薄膜在实际微动工况中的应用提供一定理论依据.     

7075铝合金扭转微动疲劳行为研究

在基于多轴疲劳试验机上自主设计的扭转微动疲劳装置上,对7075铝合金材料进行了扭转微动疲劳试验,讨论了相同法向载荷下不同扭转切应力对扭转微动疲劳寿命的影响,建立了7075铝合金扭转微动疲劳S-N曲线,并采用SEM,EDS,EPMA等分析方法对扭转微动疲劳的损伤区域进行了分析,建立了扭转微动疲劳混合区接触表面损伤和裂纹萌生及扩展的物理模型,揭示了7075铝合金扭转微动疲劳的损伤机理.试验结果表明:微动作用导致疲劳寿命大大降低;扭转微动疲劳S-N曲线呈"ε"型曲线特征;损伤区靠加载端位置氧化严重,氧化程度随着循环次数增加而增加;微动疲劳的裂纹萌生于次表面,接触区中心两侧主裂纹扩展交叉后垂直于接触表面扩展至试样断裂.