硬质沙粒对TC4钛合金冲击磨损的损伤行为的研究

在新型冲击磨损试验机上,以TC4钛合金作为研究对象开展了在硬质沙粒条件下的冲击试验.考察了沙粒粒径(120~380μm)、冲击次数对TC4钛合金冲击磨损行为的影响.研究结果表明:粒径能显著影响TC4钛合金的冲击磨损行为.在冲击过程中硬质沙粒会不断切削、挤压试样表面,造成较大的材料损失.随着沙粒粒径的增加,磨损面积增加,冲击力峰值、磨损深度和界面的能量吸收率都呈现先增加后减小的趋势.随着冲击次数的增加,冲击力峰值和界面能量吸收率增加,磨损加剧.硬质沙粒冲击作用下TC4钛合金的磨损机制主要表现为沙粒棱角对试样表面的微观切削和挤压剥落.     

TC4和TC11合金磨损性能的对比研究

采用MG-2000型高温磨损试验机对TC4和TC11合金在25和600℃进行磨损试验.利用SEM、EDS、XRD对两种钛合金的磨损表面及剖面的形貌、成分及结构进行对比观察与分析,利用HVS-1000型显微硬度计测试磨损表面至基材的硬度梯度分布.结果表明:TC4和TC11合金在25和600℃时磨损表面均形成了摩擦层.但在25℃时,摩擦层比较薄且分布不均匀,合金的磨损性能并未得到改善,因此两种钛合金的磨损率均随着载荷的增加而增加,磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损;600℃时,摩擦层厚度增加,分布均匀且含有较多高硬度的摩擦氧化物,因此两种钛合金的磨损率较25℃时均有大幅度的减小,且TC11合金的磨损率低于TC4合金,磨损机制为氧化轻微磨损.可以认为,TC4和TC11合金在25℃时均具有较差的抗磨损性能,而在600℃时均具有非常优异的抗磨损性能.     

690合金管在室温干态下的冲击微动磨损特性研究

采用小载荷冲击试验机研究了690合金传热管与405不锈钢块在室温干态不同载荷条件下的微幅冲击磨损行为.其中管采用悬臂梁式固定,与冲击配副采取线接触方式,冲击频率为10 Hz,循环次数为106次,试验载荷选取5、10、20和40 N.结果表明:在室温干态条件下,随着载荷的增加,690合金管的磨损体积增大;加工硬化效应增强,磨损表面硬度增加越大.冲击磨损过程中材料表面发生摩擦氧化行为,690合金管的冲击磨损机制主要是磨粒磨损、剥落,且随着载荷增加,磨粒磨损及氧化行为加剧.     

TC11钛合金在人造海水中的腐蚀磨损特性研究

采用球-面接触方式,在振幅为5 mm条件下研究了TC11钛合金在人造海水和纯净水中的往复滑动腐蚀磨损行为,采用扫描电子显微镜观察磨屑和磨痕表面形貌,用能谱仪测试微区元素分布,用非接触式表面形貌仪测定磨痕的三维表面形貌及其磨损体积损失,研究了载荷、滑动频率以及介质对TC11钛合金摩擦系数和磨损量的影响,并用动电位扫描法分析TC11在腐蚀磨损前后的电化学行为.结果表明:在2种介质中TC11钛合金的摩擦系数均随着载荷和滑动频率的增加而呈下降趋势,但随载荷变化的趋势更为缓慢;TC11钛合金在海水中形成的润滑膜可以明显降低摩擦系数,但其磨损量比水介质中高,说明腐蚀加速了磨损;磨损后的钝化膜更易被破坏,TC11钛合金在水中的磨损机制为磨粒磨损,而在海水中则为疲劳脱落并伴有磨粒磨损.     

TC4钛合金在模拟海水中腐蚀?磨损交互行为研究

采用自制摩擦腐蚀装置研究了TC4钛合金在模拟海水中电化学腐蚀与机械磨损间的交互作用,探究了不同电化学状态对TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响. 在摩擦腐蚀过程中,TC4钛合金的腐蚀电位发生负偏移,腐蚀电流随着外加电位升高而增大,在零电流电势(OCP)附近TC4钛合金获得最低摩擦系数. TC4钛合金总体积损失随着外加电位的增加而增大,证实了腐蚀磨损交的交互作用随着外加电位的增加而增强;当电位从–0.5 V增大至0.8 V时,腐蚀磨损交互作用导致的材料损失占总材料损失的比例由12%增加至66%,其中腐蚀诱导磨损导致的损失量占比由7%增加至44%. OCP及其以下外加电位条件下,TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损;0 V电位下TC4钛合金磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损;0.8 V电位下TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损和摩擦诱导的腐蚀磨损.      

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.     

全合成机油润滑下热氧化改性TC4钛合金的摩擦学行为

通过热氧化改性技术,在TC4钛合金表面制备金红石相TiO₂氧化膜,利用XRD、拉曼、辉光光谱对氧化膜结构及成分进行了分析,利用摩擦磨损试验机考察了轻载(约1 GPa)与重载(约2 GPa)下热氧化改性前后TC4钛合金样品在5W-30全合成机油润滑下的摩擦学特性,并利用SEM和XPS对其磨损表面形貌及摩擦化学反应膜的化学成分进行了分析. 结果表明:热氧化改性后,TC4钛合金表面形成具有氧化层和扩散层的双层结构. 在油润滑条件下,与未处理的TC4钛合金表面相比,经过热氧化改性的TC4合金表现出优异的减摩抗磨性能,摩擦系数在轻载和重载条件下分别降低了75%和80%,磨损率均下降了近两个数量级. 其原因在于TC4合金热氧化改性后在表面形成的金红石相TiO₂氧化膜提高了表面硬度,同时改善了润滑油在表面的润湿,并可促进润滑油中抗磨极压添加剂在接触区表面形成含磷的摩擦化学反应膜,从而极大地提高了摩擦学特性.      

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.     

基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制,冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限.因此,本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾,肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性,明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题.同时,提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术,并通过试验验证技术的可行性,重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题.最后,采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法,实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试,从而验证了新方法的有效性和可行性.     

等温淬火热处理工艺对Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn钢冲击磨损性能的影响

采用MLD10动载磨粒磨损试验机对成分为Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn的贝氏体/马氏体复相钢进行冲击磨损试验,通过观察磨损率,表层组织演变以及表面磨损形貌的变化过程,重点研究了等温淬火热处理工艺对Fe-0.5C-2.0Si-2.5Mn钢冲击磨损性能的影响,结果表明:经不同热处理后的贝氏体/马氏体复相钢的耐磨性较铸态有明显提高(1.4~2.3倍),随着下贝氏体含量的增加,耐磨性先降低再趋于平稳.当冲击功由1 J增至4 J时,材料磨损性能下降,表面磨损形貌表征塑形破坏加剧;当冲击功为5 J时,组织中出现大量形变马氏体,加工硬化明显,表面磨损形貌较低能冲击下的表面更为平整均匀,磨损性能增强,但出现强烈的脆性断裂倾向.     

油润滑下钢严重磨损表面的分形特征

本文在ＭＨＫ－５００型环－块试验机上于２０号内燃机油润滑下对４５＾＃钢（炉冷）、４５＾＃（水淬）、ＧＣｒ１５钢和Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢进行了滑动磨损试验，得到了表征这４种钢试样由轻微磨损向严重磨损转变的Ｐ（临界载荷）－Ｖ（临界滑动速度）曲线。对严重磨损表面进行扫描电子显微镜观测的结果表明，在一定的标度范围内其表现裂纹具有分裂特征。在给定的试验条件下，利用Ｓａｎｄｂｏｘ法测量出上述４种钢严重磨损表面裂纹的     

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.     

人工髋、膝关节磨损测试标准及模拟试验机研究进展

髋膝关节植入物假体在体内发生摩擦磨损进而造成骨溶解、无菌松动是导致其失效的重要原因之一. 人工髋膝关节磨损试验是对假体材料、设计和加工进行评价的重要形式. 天然髋膝关节承受的运动和载荷十分复杂,研究天然关节在各种行为下的受力和运动范围,并利用专门的髋膝关节模拟器来进行试验和评价,有助于人工关节的设计和耐磨关节材料的发展. 本文中整理了天然髋膝关节的运动范围及载荷,对比了人工髋膝关节假体磨损的国内外标准,总结了主流髋膝关节模拟试验机的结构及主要技术参数,为我国关节行业的研究者提供参考.      

单向双筋板结构件共振疲劳试验及分析

航空航天领域广泛存在着振动疲劳问题,严重危及飞行器结构的安全可靠性。本文首先设计了激振器直接作用于试件的力激励振动疲劳试验系统,并提出了跟踪结构共振频率的频带激励共振疲劳寿命测试方法;而后利用试件进行了频带激励下的定应变共振或定载荷共振结构振动疲劳试验;最后针对试验结果分析与讨论了可能影响结构振动疲劳寿命的各种因素。结论表明,试验结构件的边界条件、初始条件以及结构动力学特性等都可能是影响振动疲劳寿命的关键因素。频带激励共振疲劳试验方法为振动疲劳寿命曲线的测试积累了经验。     

PTFE基复合材料在干摩擦和液氮介质中的摩擦磨损性能研究

对比考察了聚苯酯(Ekonol)和PAB纤维增强PTFE复合材料在干摩擦和液氮介质中的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析在干摩擦和液氮条件下Ekonol/PAB纤维增强PTFE复合材料的磨损表面形貌及其磨损机理,同时还考察了温度对复合材料冲击韧性的影响.结果表明:在液氮条件下,PTFE的抗犁削能力增强,Ekonol/PAB/PTFE复合材料的磨损量明显比干摩擦下低,复合材料的摩擦系数比干摩擦下大,载荷对复合材料的磨损量影响较小,复合材料的摩擦系数和磨损量随着滑动速度增加基本保持不变,材料的磨损机理主要为轻微犁削和脆性断裂;而在干摩擦条件下,载荷对复合材料的磨损量影响显著,随着滑动速度增加,复合材料的摩擦系数先增后减,磨损量逐渐增大,材料的磨损机理主要以犁削、粘着磨损及疲劳磨损为主.在2种试验条件下复合材料的摩擦系数均随载荷增加而减小;低温时材料的冲击韧性约为常温时的1/2.     

维生素 E型人工膝关节在ISO标准步态与上楼梯运动下的磨损情况对比

为研究人工膝关节假体在ISO标准步态与上楼梯运动负载下的摩擦磨损情况,通过对日常活动频次及动力学和运动学的研究与分析,基于人工膝关节磨损试验机,以新型Vitamin E型人工膝关节为对象进行500万次标准步态磨损测试加200万次上楼梯运动磨损测试. 结果表明正常步态阶段的磨损率为4.34 mg/mc,上楼梯运动阶段的磨损率为5.95 mg/mc. 上楼梯运动相比标准步态对半月板衬垫的磨损量造成更大的影响,半月板衬垫表面形貌相较标准步态磨损后表面形貌也发生了显著变化,出现了条纹图案和局部凹陷,这种表面形貌结果更接近于临床半月板衬垫取出物的表面形貌,目前对于人工膝关节假体的标准磨损测试方式不够全面,需要进一步改进整个测试的方案才能更好地体现体外磨损测试的意义.      

等离子喷涂镍基合金涂层内聚强度的截面划痕表征

制备了3类不同成分的等离子喷涂Ni Cr BSi涂层,利用截面大载荷划痕测试方法表征了涂层内聚结合强度,评价了涂层在油润滑条件下的滑动磨损行为,讨论了涂层内部残余应力、显微硬度、内聚强度与涂层耐磨性之间的内在关联.结果表明:在本文所用涂层沉积与划痕测试条件下,Ni Cr BSi涂层内聚强度的高低次序为Ni25Ni35Ni45,涂层显微硬度的高低次序与喷涂原始粉末硬度次序同为Ni25Ni35Ni45;涂层耐磨性与显微硬度间无对应关系,而与内聚结合强度关系密切,三种涂层耐磨性高低次序为Ni25Ni35Ni45;Ni Cr BSi涂层在低载荷条件下的磨损失效形式主要为磨粒磨损,随着载荷增加,涂层内部微小孔隙、裂纹等缺陷在残余拉应力和摩擦剪切力作用下诱发裂纹扩展并引发材料剥落,使疲劳剥落主导了涂层的磨损失效.     

Coupled Hydraulic System for Tensile Testing in Compression-only Machines

Fracture theory for normal strength concrete has thoroughly been studied over the past decades. Through indirect and direct tensile testing techniques, the post-peak softening response of conventional concrete has been established and utilized in analysis and design. However, for more recently developed concrete materials (e.g. fiber reinforced, high performance) under complex loading conditions, the required fracture properties to predict response are extremely limited. Considering this lack of knowledge, the objective of this research was to develop a uni-axial tensile testing technique to attain the post-peak softening response for ultra-high performance concrete for ultimate use in conjunction with an applied confining pressure system. Specifically, this research was conducted for implementation into an existing, large compression-only machine at the US Army Engineer Research and Development Center (ERDC). The new methodology enabled the existing testing frame to apply a stiffening force, while an external hydraulic plunger cylinder performed the tensile test. The scheme enables tensile testing under confining pressures in the compression-only machine.