TBM滚刀刀圈与岩石的滑动磨损实验研究

硬岩隧道掘进机(TBM)的滚刀刀圈在破岩过程中面临剧烈的磨损,对TBM的掘进效率及施工成本影响巨大。为了深入研究全断面隧道掘进机滚刀刀圈的磨损机理,本文在M-200型磨损试验机上模拟了TBM滚刀刀圈与岩石的磨损行为。基于实验数据,验证了磨粒磨损引起的磨损量与摩擦距离的线性关系,分析了岩石硬度、摩擦系数和润滑对磨粒磨损速率的影响。实验结果表明,在大载荷下,磨损形式将由单纯的磨粒磨损转化为磨粒磨损与疲劳磨损共同存在的形式,并且计算了疲劳磨损量,进而对比了磨粒磨损量与疲劳磨损量的大小。结论:硬度、摩擦系数越大,滚刀刀圈磨损越严重;润滑对降低磨损有重要作用;在大载荷作用下,磨损状态将由磨粒磨损转化为磨粒磨损和疲劳磨损共存的状态。上述研究结果可以为TBM滚刀刀圈设计及施工提供一定的参考。     

新型TBM刀圈材料微观组织及耐磨性能研究

TBM刀圈材料是一种对强韧性、耐磨性要求很高的合金钢材料. 目前常用的H13、DC53型TBM刀圈材料综合性能有待提高. 通过优化合金元素配比,制备出一种强韧型综合性能较好的新型TBM刀圈材料DB1,利用光学显微镜和扫描电子显微镜对DB1、H13和DC53的微观组织及断口形貌进行了观察分析,研究了不同载荷和不同硬度岩石条件下DB1与H13、DC53的磨损性能的差异,并对其磨损表面形貌进行扫描电子显微镜观察分析. 结果表明:一次碳化物的平均尺寸和含量对TBM刀圈材料的硬度、韧性及耐磨性有重要影响;适量的一次碳化物有助于提高材料的硬度及耐磨性;过多的一次碳化物会导致材料韧性急剧下降. 岩石抗压强度与刀圈具有匹配性,新型TBM刀圈材料DB1钢用于中等抗压强度的岩石时具有较好的耐磨性.      

TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能试验

为了研究TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能对滚刀刀圈磨损量及磨损去除机制的影响机理,将四种材料相同但硬度不同的滚刀刀圈试样分别与同一种TBM工程中典型的花岗岩试样进行匹配磨损试验.试验结果表明:材料相同硬度不同的刀圈,其微观组织结构存在一定的差异,刀圈硬度对刀圈磨损量及磨损去除机制有显著影响.随着刀圈硬度的增加,刀圈的磨损量呈先减小后增大的变化趋势且硬度最高的刀圈的磨损量最大.当刀圈硬度较低时,刀圈的磨损以显微切削去除机制为主,且在一定范围内随着刀圈硬度的增加,显微切削去除作用减弱,刀圈的耐磨性更好;但当刀圈硬度高于一定值后,刀圈的磨损去除机制发生转变,刀圈磨损以韧性断裂剥落去除机制为主,刀圈的耐磨性急剧变差.     

高速列车铁基烧结闸片材料的摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金工艺,通过对材料组成和工艺等的实验研究,获得了一种铁基烧结闸片材料,对材料的物理机械性能、摩擦磨损性能和微观组织结构等进行了分析测试,探讨了烧结摩擦材料的摩擦磨损机理以及材料微观组织结构与摩擦磨损性能之间的关系。结果表明：该材料摩擦系数较高（0．31）,磨损率低（0．022mm/次）,摩擦稳定性优良;同时具有良好的物理机械性能,是一种潜在的高速列车制动闸片材料。烧结摩擦材料的摩擦机理归于啮合和粘着,而磨损机理归于磨粒磨损和疲劳裂纹萌生及扩展。     

基于微观分析的火炮挡弹装置磨损失效机理研究

针对PCrMo钢在火炮上应用较多但因零部件磨损失效造成系统故障不断的问题,利用现有摩擦磨损微观分析方法和技术,对在火炮射击及训练等特殊工况下,零部件磨损失效机理及规律进行研究.以挡弹装置中的挡弹板轴为研究对象,利用显微硬度计及扫描电镜对零件表面和剖面进行硬度测量与结构组织微观分析,结果表明零件表面磨损区域硬度明显高于未磨损区域,且磨损区域表层剖面硬度增大;依据表面形貌可将磨损区域划分为以剥落为主的初始磨损区、以切削为主的中间磨损区和磨损较轻的末端磨损区.零件磨损失效机理为以冲击滑动耦合磨损和磨粒磨损为主的磨损机制造成表面材料的损失累积与加工硬化.     

氮气气氛条件下钢/铜摩擦副的摩擦磨损特性研究

利用MMS-1G型销-盘式高温高速摩擦磨损试验机研究了氮气气氛条件下CrNiMo钢/H96黄铜配副的摩擦磨损特性,利用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌,采用能谱仪分析磨损表面及其磨屑的主要元素成分,并分析其磨损机理.结果表明:在氮气气氛条件下,摩擦系数随滑动速度和载荷(pv值)增加而减小;磨损率随pv值增加而增大;在逐步增加pv值的过程中,其磨损机制由粘着磨损转变为磨粒磨损和粘着磨损共同作用.     

马氏体钢干滑动磨损纳米梯度结构的形成机理研究

采用SFT-2M销盘式摩擦磨损仪对马氏体钢进行干滑动磨损试验. 通过扫描电镜、透射电镜和显微硬度计对滑动磨损后的显微组织进行了表征. 结果表明:显微组织的变化随着接触载荷的不同,受到不同磨损机制的主导. 在相对较低接触载荷下,马氏体板条在磨粒磨损机制下发生弯曲;在高接触载荷下,马氏体板条在黏着磨损机制下形成梯度结构. 滑动磨损引发大量塑性变形,在材料内部产生高位错密度的几何必要边界(GNBs)和伴生位错边界(IDBs),导致层片结构的形成. 随着这两种边界数量的增大,层片间距减小,晶粒被分割为更小的晶粒,最终形成纳米层片结构.      

套管磨损三维表面形貌恢复及其机理分析

在DCWT-1000型套管摩擦磨损试验机上进行了套管摩擦磨损试验,研究深井、超深井中"冲击-滑动"复合磨损对套管磨损行为的影响,采用三维表面形貌测试仪、光学显微镜及扫描电子显微镜观察分析了在不同载荷条件下套管磨损表面的微观结构和表面形貌,在此基础上对套管磨损表面进行了三维恢复并计算套管磨损表面的主要形貌参数,探讨了套管磨损表面的磨损机理.结果表明:套管的磨损性能与载荷有关;在不同载荷条件下,套管磨损表面的三维形貌具有不同特点,且主要的表面形貌参数与载荷呈现出较好的相关性,证明了三维形貌分析方法能够真实反映套管磨损表面的情况;当冲击载荷和频率不大时,套管的磨损机制以磨粒磨损为主,兼有粘着磨损,随着冲击载荷和频率增加,套管磨损表面出现明显粘着剥落和疲劳剥落迹象,并出现疲劳裂纹扩展和连通,套管的磨损机制向粘着磨损和疲劳磨损转化,磨损趋向严重.     

车轮钢滚动剥离摩擦磨损特性研究

在NENE-2型摩擦磨损试验机上利用往复滚动试验装置研究了不同滚滑状态下车轮钢的剥离摩擦磨损特性和碳含量对车轮钢滚动剥离磨损性能的影响.结果表明:在不同滚滑状态下摩擦副之间的摩擦力不同,平面试样的表面磨痕形貌随着不同的切向摩擦力而明显不同,随着切向摩擦力的增大滚动磨损机制亦发生改变,剥离磨损加剧且磨损深度变大,当相对滑动量增大到一定程度后,磨损表现为明显的剥层机制;碳含量对车轮钢的滚动磨损表面磨痕形貌影响显著,碳含量低时磨痕以犁沟为主,碳含量高时剥离磨损发生的概率增加.     

Ni—B—SiC化学复合镀层的结构及其摩擦磨损性能研究

本文通过摩擦磨损试验、X射线衍射分析和电子探针微区分析等对Ni-B-SiC化学复合镀层的结构及其摩擦磨损性能作了研究。结果表明,Ni-B-SiC化学复合镀层为非晶态结构,分散相SiC微粒的嵌入没有改变Ni-B基质合金原有的结构,SiC微粒在Ni-B合金中呈均匀弥散分布状态;热处理后,复合镀层向晶体结构转变;Ni-B-SiC化学复合镀层具有优异的耐磨性,该镀层与45~#钢(淬火)在干摩擦下于磨损初期有轻度的磨粒磨损,但在短时间跑合后则主要表现为氧化磨损。     

氮化硅陶瓷球与轴承钢的微动摩擦磨损特性与损伤行为研究

Si₃N₄陶瓷球具有高承载、轻质、减振降噪以及化学性质稳定等特点,作为滚动体广泛用于高速高精密轴承中. 针对轴承球与滚道间的微动摩擦磨损行为,以不同烧结工艺制备的具有不同烧结助剂配方的Si₃N₄陶瓷球为研究对象,开展其与轴承钢的微动摩擦磨损试验,分析比较了Si₃N₄陶瓷球烧结工艺和助剂配方对摩擦状态与损伤程度的影响. 结果表明:无润滑条件下,5AlEr和3AlY助剂配方的Si₃N₄陶瓷球具有更稳定的摩擦状态和更低的磨损程度;提高气压烧结温度可缓解微动损伤行为,降低损伤程度;热等静压工艺的引入虽然进一步缓解磨损行为,但总体减弱了Si₃N₄陶瓷球的耐磨性能,从而为轴承用Si₃N₄陶瓷球制备工艺的优化提供依据. 并进一步揭示了Si₃N₄陶瓷球摩擦损伤、剥落和疲劳裂纹的损伤行为与磨粒磨损、黏着磨损和疲劳损伤,以及摩擦化学反应相结合的损伤机制.      

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

环境湿度对碳/铜滑动接触副载流摩擦学行为的影响

弓网系统依靠受电弓滑板与接触网导线间的滑动电接触为电力列车输送电能,作为1个开放的摩擦学系统,外界环境对其服役行为具有显著影响. 本文中利用往复式载流摩擦磨损试验机,通过加装湿度控制模块,在滑动电接触条件下,以碳棒和铜棒为摩擦配副,研究了环境湿度对碳/铜载流滑动接触副摩擦学行为的影响. 结果表明:载流条件下的摩擦系数高于无电流工况;无电流工况下,平均摩擦系数均随环境湿度的增加而单调降低;但由于累积电弧放电能量、平均接触电阻与相对湿度的正相关性,导致载流条件下在35% RH后的摩擦系数几乎不受环境湿度的影响. 进一步发现,无电流工况下,碳棒上的黏着磨损和氧化磨损随相对湿度的增加逐步减缓,载流工况下,存在1个黏着磨损程度最低的最佳湿度值,出现在55% RH附近. 高湿环境下,加速了碳/铜载流滑动过程中碳棒磨损表面分子结构的变化.      

聚全氟乙丙烯的微动磨损

研究了球－盘点接触和面接触微动条件下聚全氟乙丙烯（以下简称ＦＥＰ）的微动磨损特性。发现球－盘接触对ＦＥＰ的微动磨损以带状磨屑挤出为主。而常规负荷条件下的球－盘接触形式并不适合于研究聚合物的微动磨损。采用面接触形式可以显著降低接触应力，同时也便于对聚合物微动表面的观测。结果表明，在面接触条件下，ＦＥＰ的微动损伤表面可明显地分成３个区：中心区为磨屑产生区；高应力区为磨屑阻挡区；阻挡区之外为轻微滑动区，     

CoCrFeMoNiCx中熵合金的组织及其力学和摩擦学性能

采用真空感应熔炼技术制备了CoCrFeMoNiC_x (x=0、1、2、3、4和5)系列中熵合金,研究了C元素的掺杂及其含量对合金微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:CoCrFeMoNiC_x系列中熵合金主要由体心立方(BCC)相组成;C原子间隙固溶于BCC相,增大了合金的晶格常数,在XRD谱图中表现为衍射峰随着C含量的增加向小角度方向偏移;当C的质量分数大于2%时,BCC晶粒中有少量条状碳化物形成;随着C含量的增加,合金的硬度、强度和断裂韧性等力学性能显著提高,主要归因于C原子的间隙固溶强化效应和少量条状碳化物的出现. 与此同时,合金的磨损率持续降低,表现出良好的耐磨损性能. 室温下的磨损机制为磨粒磨损、塑性变形和疲劳磨损.      

一种搪瓷涂层的磨料磨损性能研究

利用转盘式磨料磨损试验机考察了非晶态搪瓷涂层的磨料磨损性能,并分析了磨损机理。结果表明：搪瓷涂层磨损受磨料颗粒的种类及尺寸以及滑动速度的影响,其磨损机制主要为脆性剥落;这种脆性剥落源于滑动过程中涂层磨损表面的裂纹形成及其扩展。     

氮化碳增强聚四氟乙烯摩擦学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究氮化碳(C₃N₄)对聚四氟乙烯(PTFE)摩擦学性能的影响. 首先,建立了纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复合材料两个无定型模型,优化后分别计算其机械性能. 模拟结果显示:加入氮化碳后,聚四氟乙烯的杨氏模量和剪切模量分别提高了218% 和141%. 然后为了计算摩擦学性能,建立了与铜对摩的摩擦模型,对金属铜层施加一定的载荷和速度进行滑动磨损. 模拟结果显示:纯聚四氟乙烯的摩擦系数为0.144,磨损率为27.6%;氮化碳/聚四氟乙烯基体的摩擦系数为0.118,未见明显的磨损. 最后通过提取摩擦界面温度、原子运动速度、原子相对浓度、径向分布函数和结合能等数据,从原子尺度揭示了氮化碳对聚四氟乙烯摩擦学性能的作用机制.      

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面,TiSiN层与Ag层交替沉积,涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相,非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体,沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后,摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上,磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用,主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进,TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.      

A slip-line plasticity analysis of abrasive wear of a smooth and soft surface sliding against a rough (fractal) and hard surface

Abrasive wear of a soft and smooth surface sliding against a rough (fractal) and hard surface was analyzed by the slip-line theory of plasticity. The analysis is based on a slip-line model of a rigid spherical asperity (wear particle) plowing through a soft surface and removing material by microcutting. Integration of this single-contact model into a three-dimensional contact mechanics analysis of an abrasive surface exhibiting multi-scale roughness described by fractal geometry yielded relationships of the abrasive wear rate and wear coefficient in terms of the interfacial shear strength (adhesion), topography (fractal) parameters of the hard/rough surface, elastic–plastic material properties of the soft/smooth surface, and total normal load. Analytical results from the single-contact analysis provide insight into the deformation of a perfectly plastic material caused by the abrasive action of a rigid asperity/wear particle under different normal load and interfacial friction (adhesion) conditions. The dependence of the abrasive wear rate and wear coefficient on normal load (global interference), roughness of the abrasive surface, elastic–plastic material properties of the abraded surface, and interfacial shear strength (lubrication effect) is interpreted in the context of numerical results obtained for representative ceramic/ceramic, ceramic/metallic, and metal/metal sliding systems.