朱旻昊[1]2001年在《径向与复合微动的运行和损伤机理研究》文中研究指明切向微动、径向微动、滚动微动和扭动微动是四种基本的微动运行模式,但至今绝大多数的研究都集中在切向微动,关于两种基本微动模式复合的研究还未见报道。开展径向和复合微动模式的研究,在铁路、汽车、航空、航天、核反应堆、电信、电力系统、人体植入器械等许多领域具有广阔的工程应用前景,不仅具有探索未知的科学意义,而且对抗工业微动损伤有重要的指导意义。本论文完成的主要工作和取得的主要结论如下:(一)研制了新型径向微动试验装置,真实模拟了径向微动,为径向微动的研究奠定了实验基础。本研究通过对高精度切向微动试验台的夹具系统和控制程序的改造,成功研制了新型径向微动试验装置。该装置可以分别在控制载荷和控制位移的2种模式下进行试验,可以改变加载速率或频率来控制接触副间的相对运动速度,因此能模拟真实的径向微动。试验结果有很好的可比性和重现性。(二)系统研究了径向微动的运行和损伤机理。在球/平面接触和不同载荷水平下,研究了Fe-C合金(工业纯铁、45#钢、GCr15钢)、2091铝锂合金、TiN涂层、MoS2涂层和TiN+ MoS2复合涂层等材料的径向微动动力学行为。分析了随循环周次的变化,两接触表面间法向载荷与位移的变化规律。结果显示径向微动的载荷~位移曲线(F~D曲线)具有两种基本类型,即张开型和闭合型。引入耗散能(Ed)、平均变形刚度(R)和张开位移(δ)等3个参数可以描述径向微动条件下的F~D曲线。F~D曲线和径向位移,强烈地受载荷水平和材料性质影响,径向位移随循环周次的增加而逐渐减低,并趋向于一极限值;不同材料具有不同的变形刚度、耗散能和张开位移值,并随循环周次的增加而变化。考察了加载速度和表面粗糙度对径向微动运行行为的影响。结果显示加载速度明显影响径向微动的变形过程;加载速度降低,径向位移增加,同时F~D曲线的耗散能、变形刚度和张开位移值均增大。增大试样表面粗糙度,径向位移、变形刚度和张开位移明显增加,但耗散能变化不明显。在弹性力学分析的基础上,结合表面轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDX)等的微观分析,可以推断:a)对于相同材料组成的接触副,因为变形处于弹性协调状态,不可能在振动载荷下发生接触界面间的微滑;b)对于不同材料组成的接触副,微滑产生于随法向载荷变化的最大和最小接触半径之间。换言之,径向微动损伤发生于不同材料组成的接触副之间。径向微动损伤研究表明损伤主要发生在第二相和材料缺陷存在的区域。虽然不同材料的损伤程度不同,但损伤机制主要表现为表面的接触疲劳,即颗粒的剥层。3种涂层的径向微动运行和损伤研究表明:硬质高弹性模量的TiN涂层,明显提高了基体材料的变形刚度,降低了耗散能,同时缩短了张开型F~D曲线的持续时间;而低摩擦系数的MoS2软涂层,则获得了相反的结果。TiN涂层明显提高了基体材料的承载能力,扩大了其应用范围;MoS2涂层和TiN+ MoS2复合涂层具有较好的抗径向微动损伤能力;固体润滑涂层增加了径向微动界面的微滑,并可吸收更多的系统能量,有利于系统的减振。TiN+MoS2复合涂层表现出两种单一涂层复合的特征。硬质涂层接触疲劳损伤主要取决于试验参数和涂层特性,因此径向微动试验有望成为一种新型评价硬质涂层接触疲劳寿命的方法。(叁)首次成功地实现了切向与径向两种基本微动模式的复合。在径向微动的基础上,通过一个巧妙而简洁的设计,即倾斜平面试样,首次成功地实现了切向与径向微动的复合。复合微动的F~D曲线强烈地反映出径向和切向微动模式的特征。复合微动的研究对减缓工程实际中复杂形式的微动损伤具有重要意义。(四)系统研究了复合微动的运行和损伤机理。在两种倾斜角度下(45o和60o),对45#钢、GCr15钢、2091铝锂合金和MoS2涂层等材料进行了复合微动的试验。结果显示复合微动的载荷~位移曲线具有3种基本形式(准梯形型、椭圆形型和直线型);F~D曲线随循环周次的演变,强烈地依赖于载荷水平、倾斜角度和材料性质。根据3种F~D曲线,可将复合微动过程划分为3个阶段,这3个阶段的运行和损伤特征为:a)阶段Ⅰ(准梯形型F~D):引入Fl、Fs和δc等参数可以描述准梯形型F~D曲线。在试验早期的准梯形型F~D曲线表现出明显的滑移特征,位移随循环周次的增加迅速降低。磨痕呈非对称的彗星状,可明显观察到磨粒磨损和粘着现象。微动白层、平行裂纹和磨屑(第叁体)已在该阶段形成。b)阶段Ⅱ(椭圆形型F~D曲线):当Fl增加到某临界值,F~D曲线从准梯形型突变到椭圆形型。此时变形处于弹塑性范围。平行和垂向裂纹相遇,导致片状颗粒按剥层机制脱落。第叁体聚集在接触界面间,二体接触转变为叁体接触。c)阶段Ⅲ(直线型F~D曲线):界面间不发生滑移,在外加载荷作用下接触副只发生弹性变形。由于叁体层的调节作用,使磨损速率大大降低。疲劳裂纹的形成是该阶段最重要的特征。在一定条件下3种微动区域(滑移、混合和部分滑移区)可在同一次试验中观察到。混合区的形成是反复的裂纹形成、扩展和颗粒剥落的结果。在分析微动白层、第叁体行为和磨损与疲劳的竞争关系的基础上,提出了复合微动损伤的物理模型。本文为解释复合微动过程中位移和接触状态的变化规律,提出了一种位移协调机制。(五)随接触副相对倾角的变化,研究了切向、径向和复合微动的损伤机制的变化规律。从切向微动到复合微动再到径向微动(倾斜角度从0o连续变化到90o)的变化过程中,切向微动分量减少,径向微动分量增加,在磨损和疲劳的竞争关系中,滑动磨损特征逐渐减弱,径向接触疲劳的特征逐渐占据优势。同时研究提出了微动白层形成的控制参数的表达式,为微动白层的塑性变形形成机制提供了有力证据。对MoS2涂层,随倾角的增加,MoS2的氧化效应逐渐减弱,涂抹层的形成也越困难;当达到径向微动条件,涂层几乎没有损伤,MoS2的氧化也不再发生。
张晓宇[2]2013年在《核电蒸汽发生器传热管切向微动磨损机理研究》文中研究指明能源已成为严重制约我国经济与社会持续发展的战略问题,而安全、高效地利用核能则是解决能源问题的重要途径。核电系统中,蒸汽发生器是关键设备之一由于蒸汽发生器一回路和二回路热传导及高温高压介质流致振动,使传热管与支撑部件之间产生微动磨损,导致传热管局部损伤甚至破裂,使用寿命降低,危及核电安全。因此,防止蒸汽发生器传热管的破损,提高核电设备安全性和使用寿命,是核电工程的重大课题。开展不同环境法向交变载荷下微动磨损的试验研究,不仅对探索特殊工况下的复杂微动损伤机理具有重要意义,而且也能为核电设备抗微动损伤设计及运行安全提供理论支持和工程实践指导。基于高精度液压式微动磨损试验机,通过附加径向电磁激振加载装置和控制系统,成功研制了高温可控气氛传热管微动磨损试验装置,实现了试验模拟高温、可控气氛及法向交变载荷下的微动磨损过程,试验数据具有良好的重现性和稳定性。本文选用两种传热管(Inconel690和Incoloy800合金),在不同环境(常温大气、高温大气、高温氮气、纯水和碱性去离子水溶液)下,系统地进行了微动磨损试验。在微动运行行为分析的基础上,结合光学显微镜(OM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原位纳米力学测试系统等微观分析手段,系统揭示了传热管切向微动磨损的运行行为和损伤机理。获得的主要结论如下：1.高温(300℃)、可控气氛及法向交变载荷下Incone1690合金的微动运行特性及损伤机理(1)针对Incone1690合金,系统研究了在不同环境法向交变载荷下微动的运行特性。结果显示,微动运行行为与径向频率密切相关,微动的Ft-D曲线呈现摩擦力周期波动的平行四边形型特征,微动运行于滑移区。(2)在不同环境条件下,摩擦力的动态变化均可以分为5个阶段,即跑合阶段、上升阶段、峰值、下降阶段和稳定阶段。环境温度和含氧量对摩擦力产生显着影响。常温大气环境下的稳态摩擦力比300℃大气环境下高,比300℃氮气环境低。(3)Incone1690合金在不同环境法向交变载荷下的微动损伤行为强烈地依赖于载荷、位移幅值、环境温度、气氛及径向频率等试验条件。从表面损伤形貌看,径向频率和气氛对磨屑的形态、化学成分及结构有重要影响；由于交变法向力和切向力的共同作用,微动产生迭加效应,使剥层现象更加突出。在常温大气环境下,Incone1690合金的磨损机制主要表现为磨粒磨损与剥层。在300℃大气环境下,Incone1690合金的磨损机制主要表现为磨粒磨损、氧化磨损与剥层。而在300℃氮气环境下,Incone1690合金的磨损机制主要是磨粒磨损与剥层。2.水及碱性去离子水中Incone1690合金的微动运行特性及损伤机理(1)在滑移区,水及碱性去离子水均具有润滑作用,降低摩擦系数。水中的摩擦系数比碱性去离子水低；摩擦系数随介质温度增加而增加。(2)Incone1690合金在碱性去离子水中,磨损程度除受到位移幅值、载荷影响以外,温度对磨损体积有显着影响。温度增加,虽然促进了联氨与溶解氧的吸收反应,起到了降低氧化腐蚀的作用,但因金属氧化物的致密性和稳定性下降,材料磨损更加严重。Incone1690合金在水中磨损机制主要表现为磨粒磨损、氧化磨损和剥层,而在碱性去离子水中磨损机制主要是磨粒磨损和剥层。3.大气环境中Incoloy800合金的微动运行特性及损伤机理(1)载荷、位移幅值、温度及材料性质等对微动的运行区域和损伤行为有重要影响,温度的变化未对微动运行区域特性产生显着影响。(2)在部分滑移区,磨痕呈现环状,接触中心黏着,微滑、轻微的磨损和微裂纹发生在接触边缘的椭圆环内;磨损机制主要表现为轻微的磨粒磨损和微裂纹。(3)在混合区,在常温大气下,接触中心因强烈的塑性变形,产生颗粒状的磨屑；随温度升高,摩擦氧化效应增强,易聚集的氧化磨屑覆盖于接触区；温度升高到400℃,磨痕表面呈现高温氧化和塑性流变特征；磨损机制主要是磨粒磨损、氧化磨损与剥层。(4)在滑移区,在常温大气下,材料表面以剥层方式剥离,损伤较为严重；而在高温大气下磨痕表面呈现出清晰的层状结构和塑性流动特征；在此区域磨损机制主要表现为氧化磨损、磨粒磨损与剥层。
李政[3]2004年在《两种钢的复合微动磨损行为的研究》文中研究指明工业中的实际微动现象十分复杂，不仅接触方式各式各样、载荷性质也千变万化，相对位移也不仅仅是切向、径向、滚动和扭动等简单方式，而可能是两种或两种以上基本模式复合的复杂运动。过去，绝大多数的研究都集中在单一模式微动，近年来，关于两种基本微动模式复合逐渐引起人们的重视。 本文采用球／面接触，研究了60Si2Mn钢和20号钢在两种倾斜角(45°和60°)、叁种载荷(F_(max)=200N、400N、800N)和恒定加载速度(6mm／min)下的复合微动磨损行为。在详细分析该微动接触条件下的动力学特性的基础上，结合光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)对磨痕的分析，探讨了不同阶段的微动过程和机制，得到了以下结论： 1．复合微动的载荷～位移(F～D)曲线有叁种基本类型，即准梯形型(包括准叁角形型)、椭圆形型和直线形型，表现出切向与径向相复合的特征。并根据F～D曲线的基本类型，可将复合微动过程划分为叁个阶段。 2．F～D曲线随循环周次的变化，强烈地依赖于载荷水平、倾斜角度和材料的性质。 3．复合微动过程在初期的跑合阶段，耗散能随循环周次的增加而增加，此后随材料的加工硬化，耗散能随循环周次的增加而降低。 4．详细分析3种F～D曲线对应的不同损伤阶段得出，第1阶段的磨损以滑移为主，第Ⅱ、Ⅲ阶段的颗粒剥落均按剥层机制进行，但程度明显不同。 5．氧化作用在磨损过程中起了重要作用，阶段Ⅱ与阶段Ⅲ氧化作用明显，且阶段Ⅱ氧化程度比阶段Ⅲ严重。
廖正君[4]2009年在《两种Fe-C合金的转动微动磨损研究》文中研究指明工业中的实际微动现象十分复杂,接触方式各式各样,目前尚无统一分类方法,以球/平面接触模型为例,根据不同的相对运动方向,微动可分为4种基本运行模式:切向(平移式)、径向、转动和扭动微动。但绝大多数研究集中在平移式(切向)微动,关于回转(转动、扭动)微动的报道极少。目前,对工程应用最广泛的钢铁材料的转动微动运行和损伤特性缺乏系统认识。车轴是高速列车安全行车关键部件之一,其损伤直接关系到列车运行安全,转动微动是其复杂微动损伤中的其中一种。因此,本文对转动微动的运行和损伤机理的研究不仅具有重要的理论意义,也有重要的工程应用价值。本论文采用球/平面接触方式,进行了LZ50车轴钢和工业纯铁在不同法向载荷(5N、10N、20N)和转动角位移幅值(θ=0.125°、0.25°、0.5°)与GCr15滚珠轴承钢球配副对磨时的转动微动磨损试验。在详细分析微动接触条件下动力学的基础上,结合扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、电子能谱(EDX)和表面轮廓仪对磨痕进行微观分析,探讨了转动微动的运行行为和磨损机制,得出以下结论:1.LZ50钢和工业纯铁的转动微动运行特性可以用摩擦力-转动角位移幅值(F_t-θ)曲线描述。结果表明,与切向微动类似,转动微动的F_t-θ曲线也呈三种基本型:直线型、椭圆型和平行四边型;2.当较大法向载荷或较小转动角位移幅值时,两种材料的F_t-θ曲线呈现为闭合直线型,微动运行于部分滑移区;随着法向载荷的减小或转动角位移幅值的增大,F_t-θ曲线为宽扁平行四边型,微动处于滑移区。研究表明,法向载荷和转动角位移幅值对转动微动的运行行为有重要影响;在本试验参数下,研究发现两种材料的转动微动均未出现混合区。3.在部分滑移区,LZ50钢和工业纯铁的摩擦系数曲线经过较短跑合阶段后迅速爬升至最大值,随后保持稳定并处于较低位;在滑移区,摩擦系数曲线则有爬升、下降和趋于稳定叁个阶段;滑移区的稳定摩擦系数高于部分滑移区。工业纯铁在部分滑移区和滑移区的摩擦系数均高于LZ50钢,这与接触界面间的塑性变形有关。4.LZ50钢和工业纯铁在部分滑移区的转动微动磨痕表现为中心黏着、接触边缘发生微滑的环状特征,材料损伤轻微。在滑移区,两种材料在磨痕中心区域均观察到“隆起”现象。磨痕中心的“隆起”可能是材料在转动微动模式下塑性流动在接触中心累积的结果,滑移区的磨损机制主要为磨粒磨损、剥层和氧化磨损。
沈明学[5]2012年在《干态下扭转复合微动运行及其损伤机理研究》文中研究表明在球／平面接触条件下,微动磨损可分为四种基本运行模式,即：切向微动、径向微动、扭动微动和转动微动。目前绝大多数的研究集中于切向微动模式,实际的微动现象十分复杂,往往是两种或两种以上基本模式耦合作用的结果。但至今有关复合微动的研究报导较少,扭动和转动相复合的微动模式则更少。开展扭转复合微动的研究,不仅对认识和深化复杂微动损伤机理有重要意义,而且也能为众多领域抗微动损伤提供理论指导。本研究基于高精度低速往复回转电机系统、可调式电机安装倾斜装置和6-D力学传感器,发明并成功研制出新型扭转复合微动试验装置,真实模拟了球／平面接触条件下的扭转复合微动,试验结果有很好的可比性和再现性。本文在不同倾斜角度、角位移幅值、载荷水平和循环次数下,系统地开展了不同典型材料(LZ50中碳钢、7075铝合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))和两种流体介质(VG46润滑油和纯水)下的扭转复合微动试验。在动力学分析的基础上,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、光电子能谱(XPS)、原位纳米力学测试系统、双模式表面形貌仪等进行微观分析,并结合摩擦振动和噪声的检测和有限元模拟,系统揭示了扭转复合微动的运行行为和损伤机理。完成的主要研究内容和取得的主要结论如下(一)不同材料的扭转复合微动运行行为和损伤机理针对LZ50中碳钢、7075铝合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),系统研究了其扭转复合微动的运行和损伤行为。在大量实验结果的基础上,总结了3种基本类型的扭转复合微动的动力学曲线(Ft-θ曲线),即直线型、椭圆型和平行四边形型；研究建立了扭转复合微动的运行工况微动图(RCFM),结果表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数、法向载荷及材料性质等强烈地影响着扭转复合微动的运行区域和损伤行为；结果表明Ft/Fn时变曲线和摩擦耗散能时变曲线在一定程度上均可以反映微动的损伤特性和微动分量的支配程度；扭转复合微动呈现非对称的损伤形貌,且扭转复合微动比单一模式的扭动或转动微动更易导致材料的失效；从表面损伤的角度看,剥层现象更加突出且偏爱于发生在中等倾斜角度下,相同角位移幅值下的磨痕最大深度和纵横比均高于单一的扭动或转动微动模式。此外,研究建立了针对扭转复合微动的表面损伤过程物理模型。(二)扭转复合微动的局部疲劳与磨损的竞争机制(1)对LZ50钢剖面分析表明：白层(TTS)的分布明显地受微动分量的影响,横向裂纹易在微动白层和塑性变形区的界面形成,在磨损过程中白层的演变与疲劳裂纹的形成和接触表面的疲劳剥落机制有密切的关系。(2)对7075铝合金的剖面分析表明,在不同的微动区域损伤呈现完全不同的特征。在部分滑移区,复合微动作用下极易导致疲劳裂纹的萌生并主要沿平行于接触表面方向扩展,该区域微动损伤主要表现为局部疲劳。在混合区,裂纹扩展特性非常复杂,当微动损伤主要受扭动分量控制时,疲劳裂纹主要分布于环状磨损区下,裂纹分叉现象严重：当微动损伤主要受转动分量控制时,疲劳裂纹主要位于接触中心黏着区两侧,裂纹扩展方向相对单一并呈对称特征。在混合区,裂纹的扩展速率高于材料的磨损速率,微动损伤表现为局部疲劳明显强于局部磨损。在滑移区,磨痕形貌主要呈“U”型凹坑状,裂纹的扩展速率低于磨损率,无明显的向基体内扩展的裂纹形成。(3)研究发现扭转复合微动状态下可以形成两类不同类型的局部隆起,并揭示了两类不同隆起的形成机理,发现疲劳裂纹的形成与接触区局部隆起密切相关,分别建立了两种微动分量控制下接触区局部隆起及疲劳裂纹形成过程的物理模型。(叁)扭转摩擦磨损的摩擦振动与噪声分析为了建立损伤机制和摩擦振动/噪声信号间的内在联系,进一步揭示扭转复合微动的损伤机制,本研究利用摩擦振动/噪声检测对PMMA的扭转摩擦磨损过程进行了分析,研究结果表明：(1)在部分滑移状态下,由于接触界面的相对运动主要由弹性变形协调,微动作用并未激发出明显的可检测到的摩擦振动/噪声信号。在完全滑移状态下,发现材料的损伤行为与振动／噪声信号间有密切的关系。如：表面损伤程度与摩擦振动／噪声信号的事件数密切相关；局部隆起加剧了切向的摩擦振动；疲劳裂纹的形成在一定程度上能有效抑制切向振动；磨粒磨损对噪声和切向振动信号均有显着的增强效应等。通过小波分析发现,在不同的微动阶段,振动和噪声信号随损伤机制的变化表现出完全不同的演变特征。(2)研究发现,在微动和往复滑动状态下,摩擦振动和噪声信号也表现出截然不同的特征。主要变现在事件数随循环次数的演变；摩擦振动／噪声信号幅值的大小和分布位置的变化等。研究发现摩擦振动／噪声信号可以作为判定某种工况下的摩擦磨损属微动或滑动范畴的重要参考依据。此外,发现累积事件数与磨损体积在微动和滑动状态下各自呈独立的线性关系,滑动条件下单位累积事件发生数的磨损量明显高于微动状态下。
郑健峰[6]2010年在《车轴钢不同模式微动磨损行为研究》文中研究指明至今,对微动磨损的研究主要集中在切向微动模式下,对磨副的接触方式主要为球/平面接触方式。但是实际的微动损伤现象往往包含了除传统切向模式外的其它运行模式(径向、扭动和转动)；另外,回转式微动(扭动和转动)损伤往往发生在非球/平面接触条件下,其运行和损伤机理尚不清楚。目前,对火车车轴材料的微动磨损行为认识仍不够充分。因此,不论从微动摩擦学基础理论的深入和完善,还是工程实际的需要来看,开展车轴材料在不同微动模式和不同接触条件下的微动运行和损伤行为的研究十分迫切和必要。本文在不同法向载荷、(角)位移幅值和循环周次下,以车轴钢(LZ50和35CrMo) /GCr15钢球为对磨副,进行了球/平面接触方式下的切向、扭动和转动微动磨损试验和球/凹面接触方式下的转动微动磨损试验。采用显微硬度计、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪和电子能谱仪(EDX)等分析手段,结合微动磨损动力学特性分析,系统研究了车轴钢在不同微动模式与接触条件下的微动运行行为和损伤机理。获得的主要结论如下：1.不同微动模式下车轴钢的微动磨损特性(a)对本研究的所有微动模式(切向、扭动和转动微动),其动力学曲线(分别对应Ft-D曲线、T-θ曲线和Ft-θ曲线),只有直线型、椭圆形型和平行四边形型叁种形状。直线型与椭圆形型的动力学曲线对应于微动的部分滑移状态,而平行四边形型的曲线则对应于完全滑移状态。对于切向和扭动微动模式,都有部分滑移区(PSR)、混合区(MFR)和滑移区(SR)叁种微动运行区域；而在转动微动模式下,由于微动运行区域强烈地依赖于试验材料,没有观察到MFR的存在。(b)不同微动模式下,法向载荷与(角)位移幅值对材料的摩擦动力学行为有重要影响。当法向载荷不变时,随(角)位移幅值的增加,微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变,材料的损伤也逐渐加重；而当(角)位移幅值不变时,随着载荷的增加,变化趋势与此相反。不同材料在不同的微动运行模式下的微动特性和损伤机制可以使用微动图来揭示。不同微动模式的微动图差异很大,这可能是因为不同模式的材料变形行为差异很大。(c)不同微动模式下,车轴钢在部分滑移区的损伤轻微,其磨损机制均为氧化磨损与磨粒磨损；微动运行于混合区和滑移区时,磨损机制均为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。(d)相同的微动模式下,材料的摩擦系数、摩擦耗散能、摩擦扭矩等的大小随车轴钢材料性质的不同而不同。LZ50钢具有较低的硬度和强度以及较高的塑性,比35CrMo钢表现出较高的摩擦系数、摩擦耗散能和摩擦扭矩。2.不同接触方式下材料的转动微动磨损特性(a)两种接触方式下,法向载荷和转动角位移幅值对转动微动的运行行为均有重要影响。在相同法向载荷和相同最大接触应力情况下,随着接触方式由球/凹面转变为球/平面接触,滑移区边界均向小角位移幅值方向移动。(b)接触方式的改变会改变接触区尺寸和接触应力分布,同时影响磨屑的运行行为,因此对接触刚度、摩擦系数和摩擦耗散能的演变规律以及磨痕形貌和磨损程度均产生重要影响。(c)当法向载荷相同时,与球/平面接触方式相比,球/凹面接触的稳定阶段摩擦系数和摩擦耗散能均较小,材料的磨损相对轻微。当最大赫兹接触应力相同时,同球/平面接触相比,球/凹面接触的稳定阶段摩擦耗散能较高,磨损较严重。
蔡振兵[7]2009年在《扭动微动磨损机理研究》文中研究指明根据接触副间相对运动的不同,球／平面接触条件下的微动可分为切向、径向、转动和扭动4种基本模式,目前的研究主要集中在切向微动模式。扭动微动是在交变载荷下接触副发生的往复微幅相对扭动,在很多回转部件中较常见,如球窝关节、球阀、车辆心盘等。虽然扭动微动现象十分普遍,但至今相关研究较少。开展扭动微动的研究,不仅深化和丰富微动摩擦学的基本理论,具有探索未知的科学意义,而且对抗工业微动损伤有重要的指导意义。本研究基于低速高精度转动台和六维传感器(x、y、z方向的力和扭矩),成功研制了新型扭动微动试验装置,真实模拟了球／平面接触条件下的扭动微动。该装置具有同轴度高、扭转角位移幅值范围广的特点,试验结果有很好的可比性和重现性。配置可控气氛系统,可实现不同气氛和湿度的试验模拟。本文在不同载荷水平、角位移幅值和循环周次下,对几种典型金属材料、高聚物和牛天然活性软骨进行了扭动微动试验。通过动力学分析,以及利用表面轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、光电子能谱(XPS)和HE染色法等进行微观分析,系统地研究了扭动微动的运行机理与损伤机制。利用有限元方法,建立球／面接触模型,对扭动微动进行数值模拟,并将计算结果和实验结果进行比较。完成的主要工作和取得的主要结论如下：(一)金属材料的扭动微动运行和损伤机理针对Fe-C合金(工业纯铁、20#钢、LZ50钢)和7075铝合金,系统研究了扭动微动运行和损伤行为。总结归纳了扭动微动的叁种动力学特性曲线(摩擦扭矩～角位移幅值曲线,T～θ曲线),即直线型、椭圆型和平行四边形型；研究揭示可以利用T-θ曲线、扭矩时变曲线、摩擦耗散能(Ed)、平均变形刚度(k)和粘着区比例(i)等参数表征扭动微动磨损的动力学特性；研究结果显示,随着角位移幅值的增加,扭动微动依次运行于部分滑移区(PSR)、混合区(MFR)和滑移区(SR)；研究建立了不同材料扭动微动的运行工况微动图(RCFM)和材料响应微动图(MRFM),发现与其它微动模式不同,扭动微动的混合区具有特殊性,即在混合区,磨痕黏着区随着循环周次的增加而减小直至消失；结果显示扭动微动磨损强烈地依赖于法向载荷、角位移幅值、循环周次和材料性质,研究建立了扭动微动磨损的物理模型；金属材料在不同微动区域的特征总结如下：a)部分滑移区：磨痕呈环状,接触中心黏着且无损伤,微滑发生在接触边缘的圆环内,磨损轻微；磨损主要表现为磨粒磨损和轻微氧化磨损；此时微动白层已形成。b)混合区：随着循环周次的增加,粘着区逐渐缩小,并最终消失,接触状态由部分滑移转变为完全滑移；混合区磨痕轮廓呈“W”型,磨损发生在微滑区内,是磨粒磨损、氧化磨损和剥层共同作用的结果；Fe-C合金中含碳量增加,以剥层机制发生材料剥落的倾向增加；横向裂纹在微动白层与塑性变形层的界面形成,颗粒剥落是横向裂纹与垂向裂纹沟通的结果；剖面可观察到向基体内扩展的倾斜裂纹,表明该区域的局部疲劳裂纹扩展速率大于磨损速率。c)滑移区：磨损发生在整个接触区,典型的磨痕轮廓呈“U”型,损伤较严重；与混合区一样,滑移区的磨损机制主要表现为磨粒磨损、氧化磨损和剥层；在剖面未发现倾斜裂纹,表明该区的局部磨损速率大于疲劳裂纹的扩展速率。(二)扭动微动接触界面的氧化行为在可控气氛条件下,研究了金属材料在不同气氛(工业纯氮、工业纯氧和大气)和相对湿度(10%RH、60%RH和90%RH)下的扭动微动运行和损伤行为,重点分析了微动界面的摩擦氧化机理。研究结果显示：(a)气氛中含氧量增加,混合区和滑移区向小角位移幅值方向移动。在氮气气氛下的扭动微动磨损机制为磨粒磨损和剥层,对于含氧气氛(工业纯氧和大气),磨损机制还包括氧化磨损。(b)较高的相对湿度明显降低了摩擦扭矩和磨损；随着相对湿度的增加,混合区的范围逐渐缩小,混合区和滑移区向小角位移幅值方向移动。(c)XPS的结果表明潮湿气氛中的水分促进摩擦过程中氧化反应的发生,氧化产物起到了类似固体润滑剂的作用,减轻了磨损。摩擦氧化增加了界面滑移,产生的氧化磨屑不易排出接触区,并有利于减少磨损。(叁)高聚物的不同摩擦配副的影响分别研究了PMMA和UHMWPE在不同摩擦配副条件下的扭动微动运行和损伤行为,发现高聚物的扭动微动特性随摩擦配副的不同而不同。研究结果表明：(a) PMMA和UHMWPE具有与金属材料一致的扭动微动运行规律。研究讨论了法向载荷、角位移幅值对扭动微动运行区域和损伤行为的影响。(b)与PMMA板对GCr15钢球配副相比,PMMA板对PMMA球配副的扭动微动混合区和滑移区向大角位移方向移动；在相同试验条件下,磨痕深度和宽度后者(PMMA/PMMA)均比前者(PMMA/GCr15)要大,即磨损更严重；对于PMMA/GCr15摩擦副,磨损主要由产生银纹的疲劳磨损机制控制,而对于PMMA/PMMA摩擦副,磨损则主要由形成犁沟的磨粒磨损机制控制。(c)与UHMWPE板对TC4钛合金球配副相比,UHMWPE板对Al2O3陶瓷球配副的扭动微动混合区和滑移区向小角位移方向移动；在相同试验条件下,磨痕深度和宽度后者(UHMWPE/Al2O3)均比前者(UHMWPE/TC4)要大；然而，UHMWPE/TC4摩擦副的表面损伤更明显,其磨损受磨粒磨损和疲劳磨损控制；对于UHMWPE/Al2O3摩擦副,扭动微动磨损机制主要为磨粒磨损。(四)牛天然活性软骨的扭动微动运行和损伤行为对牛的天然活性软骨／Al2O3陶瓷球在Ringer's溶液中的扭动微动磨损研究发现：软骨表现出与金属材料和高聚物不同的动力学特性,例如增加法向载荷,接触界面的相对滑移增加,摩擦扭矩的演变过程与其它材料不同；软骨特殊的动力学行为可能与软骨挤出物的润滑作用有关；SEM观察结合HE染色法分析表明软骨的扭动微动磨损主要表现为疲劳磨损,并建立了其损伤的物理模型。(五)扭动微动接触的有限元分析使用ANSYS软件,建立了球-平面接触条件下的扭动微动有限元模型。在弹性变形范围内,考察了循环周次、角位移幅值、接触界面摩擦系数对接触应力分布和黏滑状态的影响。总之,数值模拟结果和试验研究结果有很好的一致性。
周靖[8]2014年在《超音速火焰喷涂WC-CoCr涂层复合微动磨损行为研究》文中研究说明切向微动、径向微动、滚动微动和扭动微动是四种基本的微动运行模式，迄今为止，关于热喷涂涂层微动损伤的研究绝大多数都集中在切向微动方面，而两种基本模式复合的研究鲜有报道。本文在高精度微动磨损试验机上，采用球/平面接触方式，分别在40μm、80μm、120μm位移振幅下，对基材(45#钢)和超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备的WC-CoCr涂层进行了径向微动和切向微动复合的磨损试验。采用显微硬度计、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)和表面形貌等微观分析手段，结合微动磨损动力学特性分析，系统研究了涂层和基体的微动运行行为和损伤机理。得出的主要结论如下：(1)复合微动的载荷-位移曲线(F-D)有叁种基本类型，分别为准梯形型、椭圆形型和直线形型，其中还存在一些特殊条件下的曲线类型，包括准叁角形型、准四边形型和不闭合的椭圆形型；根据F-D曲线形状，可将复合微动过程划分为叁个阶段，准梯形型、椭圆形型和直线形型叁种基本类型的F-D曲线分别对应着阶段I、阶段II和阶段III。(2) F-D曲线随循环周次的变化，强烈的依赖于位移振幅、表面粗糙度和材料本身的性质。(3)比较基体材料和涂层的动力学行为。振幅为40μm时，45#钢在104次循环周期后，微动运行于部分滑移区，而WC-CoCr涂层运行于混合区；振幅为80μm，45#钢第I、II阶段的到来随着振幅的增加而滞后，WC-CoCr涂层在高振幅下，由于涂层硬度高，起到了良好的保护作用，微动始终处于弹塑性状态，磨损稳定。(4)详细分析3种F-D曲线对应的不同损伤阶段得出，第I阶段的磨损以微切削和粘着为主，第II、III阶段的颗粒剥落按照层剥机制进行，其中基体材料的损伤程度明显高于WC-CoCr涂层。(5)45#钢基体材料的复合微动损伤机理以磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损为主，材料以微观切削、塑性变形和层剥的方式流失；WC-CoCr涂层材料具有优良的抗复合微动磨损性能，磨损机理以疲劳磨损为主，磨损后期的层剥机制导致磨屑呈片层状剥落。
刘建华[9]2016年在《轴向激励下螺栓连接结构的松动机理研究》文中研究表明由于结构简单、拆卸方便和成本低等优点,螺栓连接结构广泛应用于各类工程结构中。作为重要的连接部件,其性能对整个结构的安全性和可靠性具有重要影响。在振动环境下,松动是螺栓连接结构失效的主要形式之一。鉴于螺栓松动机制的重要性和复杂性,国内外对其进行了广泛的研究。但是由于加工精度和表面粗糙度不同等原因,螺栓松动试验结果重复性差、分散性大,难以发现松动的规律,对于螺栓的松动机制至今尚未形成统一的认识。开展螺栓松动试验的研究,具有重要的科学意义,不仅可以深化对螺栓松动机理的认识,而且为工业实际螺栓防松提供重要的理论指导。本论文基于自主研制的螺栓松动试验装置,成功再现了轴向激励下螺栓连接结构的松动过程,并在在不同预紧力矩/预紧力和交变载荷幅值等试验参数下,系统开展了轴向激励下螺栓/铝制件连接结构和螺栓/钢制螺母连接结构的松动试验；对螺栓进行表面处理,研究聚四氟乙烯涂层(PTFE涂层)、二硫化钼涂层(MoS2涂层)和氮化钛涂层(TiN涂层)对螺栓连接结构防松性能的影响；基于MoS2涂层螺栓,通过理论计算获取合理的预紧力,并研究其防松性能。在动力学分析的基础上,运用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱仪(EDX)进行微观分析,并结合有限元计算,系统揭示了螺栓连接结构的松动机理。完成的主要研究内容和获得的主要结论如下：(一)轴向激励下螺栓连接结构松动机理基于动力学响应以及螺纹表面损伤形貌分析,结合有限元计算,发现螺栓连接结构的松动机理是结构的塑性变形和接触界面的微动磨损。(1)螺栓连接结构的松动过程可分为两个阶段：第一阶段,由于螺栓连接结构的塑性变形以及接触表面粗糙峰被去除,螺栓轴向力迅速下降；第二阶段,随着循环次数的增加,由于材料的棘轮效应,塑性变形趋于稳定,微动磨损是螺栓轴向力下降的主要原因。(2)研究表明预紧力矩/预紧力、交变载荷幅值、循环次数等试验参数对螺栓连接结构的松动行为具有强烈的影响：随着预紧力矩/预紧力的增大,螺栓残余轴向力与预紧力之比增大,螺纹表面的磨损程度逐渐降低,主要的磨损机制由疲劳磨损、粘着磨损向磨粒磨损转变；随着交变载荷幅值的增大,螺栓残余轴向力与预紧力之比减小,螺纹表面的磨损程度加剧,主要的磨损机制由磨粒磨损向疲劳磨损转变；由于磨屑的塞积、排出,螺栓轴向力在试验过程中出现先增大后减小的现象,但总体呈减小趋势；在MoS2润滑剂润滑条件下,螺栓/铝制件连接结构的残余轴向力与预紧力之比相对于无润滑条件下较大,螺纹表面的损伤程度相对较轻,主要的磨损机制为磨粒磨损。(二)轴向激励下不同涂层螺栓连接结构的松动机理(1)在螺栓松动过程的第一阶段,由于界面摩擦系数低,PTFE涂层和MoS2涂层螺栓表面粗糙峰少,螺栓轴向力在此阶段变化小；反之,TiN涂层螺栓轴向力在此阶段下降相对明显。(2)在螺栓松动过程的第二阶段,由于PTFE涂层的结合强度低,螺纹表面的PTFE涂层磨损严重,螺栓轴向力在此阶段变化大；MoS2涂层摩擦系数小,螺纹表面摩擦应力小,且该涂层结合强度高,接触界面的磨损轻微,螺栓轴向力在此阶段变化小；由于TiN涂层的耐磨性能好,接触界面的磨损轻微,螺栓轴向力在此阶段变化也小。(3)在螺栓表面涂覆MoS2涂层后,在与未经过表面处理的螺栓螺纹根部相同的应力状态下,预紧力可以提高近20%。此时螺纹接触界面的摩擦应力和单位面积的摩擦耗散能减小,说明螺纹表面的损伤轻微；接触面积增大,螺纹根部由交变载荷引起的累积塑性应变减小。螺栓的防松性能得到大幅度的提高。(叁)螺栓连接结构的精确建模及数值分析运用Matlab软件和ABAQUS软件建立了螺栓连接结构的精确模型,并通过理论计算验证了有限元模型的有效性,研究结果表明：(1)第一圈工作螺纹约承受全部轴向力的30%,前叁圈工作螺纹约承受全部轴向力的70%。螺栓第一圈工作螺纹牙底的应力集中系数最大,随着圈次的增加,应力集中系数首先迅速降低,然后缓慢下降。此外,螺母螺纹牙底的应力集中系数相对较低。(2)沿螺栓径向方向,靠近螺纹牙顶区域单位面积的摩擦耗散能最大,说明此区域损伤较为严重；靠近螺纹牙底区域由于没有发生相对滑动,因此该区域损伤轻微。沿螺栓周向方向,单位面积的摩擦耗散能总体呈现减小趋势,说明随着工作螺纹圈次的增加,磨损总体呈减轻趋势；但是单位面积的摩擦耗散能不是单调减小的,导致螺纹表面的磨损不均匀。(3)随着预紧力的增大,螺纹接触界面的摩擦应力略微增大,但相对滑移量明显减小,表面单位面积的摩擦耗散能减小,说明螺纹表面的损伤减轻；同时,螺纹接触面积增大,螺纹根部由交变载荷引起的累积塑性应变减小。因此,残余轴向力与预紧力之比增大。随着交变载荷幅值的增大,螺纹接触界面的摩擦应力和相对滑移量均增大,表面单位面积的摩擦耗散能增大,说明螺纹表面的磨损加剧；同时,螺纹根部由交变载荷引起的累积塑性应变增大。因此,残余轴向力与预紧力之比减小。(4)降低螺栓头部／被连接件和螺纹接触界面的摩擦系数,并适当提高预紧力,可降低由交变载荷引起的塑性变形和螺纹表面单位面积的摩擦耗散能,从而有效提高螺栓的防松性能。
顾和根[10]2013年在《基于离子氮化的复合表面处理抗扭动微动磨损机理研究》文中进行了进一步梳理扭动微动是在交变载荷下接触副间发生往复微幅的相对扭动。扭动微动现象在工业领域普遍存在,使得零部件的使用寿命大大降低。表面工程技术,作为一种减缓微动损伤的有效措施,可以很好地保护基体材料。但有关表面工程技术抗扭动微动损伤的研究报道很少。因此,系统地研究离子渗硫/离子氮化复合层,激光淬火/离子氮化复合层和DLC/离子氮化复合层的扭动微动磨损性能和损伤机理,对表面工程抗扭动微动损伤的应用具有重要的理论意义和工程指导价值。本文在高精度的扭动微动磨损试验机上,采用球/平面接触方式,在不同的法向载荷和角位移幅值条件下,对基体(LZ50钢)及叁种复合层(离子渗硫/离子氮化复合层、激光淬火/离子氮化复合层、DLC/离子氮化复合层)进行了扭动微动磨损试验。在分析动力学特性的基础上,利用了光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫面电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、拉曼光谱仪和双模式表面形貌仪等进行微观分析,系统研究了叁种复合层的扭动微动运行行为和损伤机理。研究获得的主要结论如下：1.离子渗硫/离子氮化复合层的扭动微动磨损离子渗硫/离子氮化复合层由于氮化层的支撑作用和渗硫层中的FeS的易滑移结构,改变了基材的微动运行区域,使其滑移区向小角位移幅值方向移动,使得混合区减小,滑移区增大。角位移幅值和法向载荷对摩擦扭矩有重要的影响,摩擦扭矩的演变规律与所处的微动区域有关,部分滑移区的摩擦扭矩一直处于较低水平,混合区的摩擦扭矩呈现“跑合-爬升-峰值-稳定”四个阶段,滑移区的摩擦扭矩四个阶段特征不明显。摩擦耗散能呈现与摩擦扭矩相同的特征,且低于LZ50钢的耗散能。当微动运行于部分滑移区,离子渗硫/离子氮化复合层损伤轻微；微动运行于混合区,磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层；微动运行于滑移区,损伤加重,磨损机制仍为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。在相同工况下,离子渗硫/离子氮化复合层的损伤比LZ50钢基材轻微。2.激光淬火/离子氮化复合层的扭动微动磨损该复合层由于其高硬度和表面的残余压应力改变了基材的扭动微动的运行区域,滑移区向小角位移幅值方向移动,混合区减小,滑移区扩大。该复合层摩擦扭矩和摩擦耗散能的演变与离子渗硫/离子氮化复合层的相似。微动运行于部分滑移区,总体损伤轻微；在混合区,磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层；在滑移区,损伤严重,磨损机制仍为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。在相同工况下,复合层的损伤比LZ50钢轻微。3.DLC/离子氮化复合层的扭动微动磨损DLC具有高硬度和低摩擦系数的特性,促使基材的滑移区向小角位移幅值方向移动,混合区消失,滑移区大大增加。在部分滑移区,摩擦扭矩处于较低水平,在滑移区,摩擦扭矩呈缓慢上升。摩擦耗散能在不同的运行区域呈现于摩擦扭矩相同的特征。微动运行于部分滑移区,DLC/离子氮化复合层的损伤轻微,仍保留原始的颗粒状特征；在滑移区,损伤机制为磨粒磨损、剥落和石墨化。DLC/离子氮化复合层大大降低了基材的磨损,表现出优异的抗微动损伤特性。4.叁种复合层的对比叁种复合层一定程度上都改变了运行工况微动图。从改变微动区域效果来看,DLC效果最好,渗硫/离子氮化复合层次之,激光淬火/离子氮化复合层较差。通过叁种复合层的扭动微动中的摩擦扭矩、摩擦耗散能和磨损深度的对比,可以发现,减摩和抗磨效果依次为DLC,激光淬火/离子氮化复合层,渗硫/离子氮化复合层。
参考文献：
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