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doi: 10.16078/j.tribology.2018.04.014
摘要:
采用原位表面修饰和溶胶-凝胶法制备了十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)修饰的油溶性BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒；利用透射电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪分析了产物的形貌及结构，采用热分析仪评价了其热稳定性，用往复摩擦磨损试验机和六速旋转黏度计研究了产物对油基钻井液润滑性能及流变性能的影响. 结果表明：所制备的BaSO4@SiO2纳米微粒由直径为30 nm的BaSO4内核和厚约8 nm的SiO2外壳组成，经OTMS修饰后，BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒在液体石蜡中具有良好的分散稳定性. 与此同时，BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒作为添加剂可以降低油基钻井液的流动阻力，减轻钻头磨损，提高钻井速度. 当添加剂浓度较低时，随着添加剂含量的增加，油基钻井液的黏度降低；当添加剂质量分数为0.8%时，钻井液的黏度以及钢球-页岩摩擦副的摩擦系数和页岩磨痕宽度最小.
采用原位表面修饰和溶胶-凝胶法制备了十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)修饰的油溶性BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒；利用透射电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪分析了产物的形貌及结构，采用热分析仪评价了其热稳定性，用往复摩擦磨损试验机和六速旋转黏度计研究了产物对油基钻井液润滑性能及流变性能的影响. 结果表明：所制备的BaSO4@SiO2纳米微粒由直径为30 nm的BaSO4内核和厚约8 nm的SiO2外壳组成，经OTMS修饰后，BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒在液体石蜡中具有良好的分散稳定性. 与此同时，BaSO4@SiO2-OTMS纳米微粒作为添加剂可以降低油基钻井液的流动阻力，减轻钻头磨损，提高钻井速度. 当添加剂浓度较低时，随着添加剂含量的增加，油基钻井液的黏度降低；当添加剂质量分数为0.8%时，钻井液的黏度以及钢球-页岩摩擦副的摩擦系数和页岩磨痕宽度最小.
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doi: 10.16078/j.tribology.2018.04.000
摘要:
引起边缘应力集中的边缘效应是影响边界润滑条件下织构材料摩擦学性能的重要因素之一. 本文中采用激光加工、电化学和机械抛光的方法在不锈钢表面制备了边缘未修形和修形凹坑织构，在此基础上采用溅射/射频化学气相沉积技术沉积了Si-DLC膜，研究了边缘修形对织构化薄膜在油中摩擦学性能的影响. 基于有限元方法分析了加载条件下凹坑织构接触界面的应力分布，考察了修形对边缘效应的影响. 结果表明：边缘修形可大幅降低凹坑织构化薄膜与不锈钢对偶球配副间的摩擦以及对偶的磨损. 织构的摩擦学性能与边缘效应呈正相关关系，边缘修形可使凹坑边缘的最大接触应力降低30%左右，有利于缓和凹坑边缘的刮擦作用从而降低织构材料的摩擦磨损.
引起边缘应力集中的边缘效应是影响边界润滑条件下织构材料摩擦学性能的重要因素之一. 本文中采用激光加工、电化学和机械抛光的方法在不锈钢表面制备了边缘未修形和修形凹坑织构，在此基础上采用溅射/射频化学气相沉积技术沉积了Si-DLC膜，研究了边缘修形对织构化薄膜在油中摩擦学性能的影响. 基于有限元方法分析了加载条件下凹坑织构接触界面的应力分布，考察了修形对边缘效应的影响. 结果表明：边缘修形可大幅降低凹坑织构化薄膜与不锈钢对偶球配副间的摩擦以及对偶的磨损. 织构的摩擦学性能与边缘效应呈正相关关系，边缘修形可使凹坑边缘的最大接触应力降低30%左右，有利于缓和凹坑边缘的刮擦作用从而降低织构材料的摩擦磨损.
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齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关，针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式，采用三维线接触混合润滑分析模型，结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法，系统分析了高速到极低速工况下，界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响，以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律. 研究表明：全膜润滑状态下，界面摩擦对疲劳寿命的影响较小，各类组合表面的摩擦系数基本一致，但各组合表面疲劳寿命差异较大，抛光组合表面的疲劳寿命最优；在混合润滑状态下，各类组合表面的摩擦系数变化差异明显，而相对疲劳寿命差异明显减小，其中，磨削组合表面摩擦系数较大，抛光组合表面摩擦系数最小；值得注意的是，研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数，不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.
齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关，针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式，采用三维线接触混合润滑分析模型，结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法，系统分析了高速到极低速工况下，界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响，以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律. 研究表明：全膜润滑状态下，界面摩擦对疲劳寿命的影响较小，各类组合表面的摩擦系数基本一致，但各组合表面疲劳寿命差异较大，抛光组合表面的疲劳寿命最优；在混合润滑状态下，各类组合表面的摩擦系数变化差异明显，而相对疲劳寿命差异明显减小，其中，磨削组合表面摩擦系数较大，抛光组合表面摩擦系数最小；值得注意的是，研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数，不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.
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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.
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.
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利用具有不同形貌和孔道结构的纳米介孔SiO2作为添加剂，制备了含纳米介孔SiO2的锂基润滑脂，采用Anton-paar NHT3 纳米压痕测试仪和Anton-paar MCR302旋转流变仪考察了纳米介孔SiO2形貌、孔道结构以及质量分数对锂基润滑脂摩擦学性能和流变学性能的影响. 结果表明：球状的纳米介孔SiO2添加剂能更有效降低锂基润滑脂的摩擦学系数，增强锂基润滑脂的骨架稳定性，改善锂基润滑脂触变性，提高润滑脂的抗剪切能力以及热稳定性能. 在中低剪切速率下对流变试验数据进行拟合，提出了基于纳米介孔SiO2添加剂温度和质量分数参数的润滑脂改进型流变模型.
利用具有不同形貌和孔道结构的纳米介孔SiO2作为添加剂，制备了含纳米介孔SiO2的锂基润滑脂，采用Anton-paar NHT3 纳米压痕测试仪和Anton-paar MCR302旋转流变仪考察了纳米介孔SiO2形貌、孔道结构以及质量分数对锂基润滑脂摩擦学性能和流变学性能的影响. 结果表明：球状的纳米介孔SiO2添加剂能更有效降低锂基润滑脂的摩擦学系数，增强锂基润滑脂的骨架稳定性，改善锂基润滑脂触变性，提高润滑脂的抗剪切能力以及热稳定性能. 在中低剪切速率下对流变试验数据进行拟合，提出了基于纳米介孔SiO2添加剂温度和质量分数参数的润滑脂改进型流变模型.
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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(120~380 μm)、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.
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(120~380 μm)、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.
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利用中频磁控溅射法分别在304不锈钢、GCr15和9Cr18 3种不同基底上沉积了Ti掺杂的含氢DLC薄膜. 并利用球-盘摩擦试验机考察了在中性盐雾试验条件下三种不同基底的DLC薄膜在经过不同时间盐雾试验后的摩擦学性能，同时分析讨论了盐雾试验后薄膜摩擦学性能产生变化的原因. 结果表明：在中性盐雾试验条件下暴露不同时间后，样品的耐腐蚀性能与基底材料一致；盐雾试验后沉积在3种不同基底上的薄膜跑合时间均明显增大并且GCr15基底的薄膜增长最明显；盐雾试验前后304不锈钢基底薄膜的摩擦寿命几乎没有变化而GCr15和9Cr18基底的薄膜由于发生腐蚀其摩擦寿命大幅降低约50%.
利用中频磁控溅射法分别在304不锈钢、GCr15和9Cr18 3种不同基底上沉积了Ti掺杂的含氢DLC薄膜. 并利用球-盘摩擦试验机考察了在中性盐雾试验条件下三种不同基底的DLC薄膜在经过不同时间盐雾试验后的摩擦学性能，同时分析讨论了盐雾试验后薄膜摩擦学性能产生变化的原因. 结果表明：在中性盐雾试验条件下暴露不同时间后，样品的耐腐蚀性能与基底材料一致；盐雾试验后沉积在3种不同基底上的薄膜跑合时间均明显增大并且GCr15基底的薄膜增长最明显；盐雾试验前后304不锈钢基底薄膜的摩擦寿命几乎没有变化而GCr15和9Cr18基底的薄膜由于发生腐蚀其摩擦寿命大幅降低约50%.
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通过对不同转数滑动磨损后的D2高速车轮钢进行表面形貌和微观组织观察与分析，研究白层形成、发展与剥落过程以及他们之间的联系. 结果表明：随着滑动磨损转数的增加，试块表面磨损方式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损，同时在磨损表面形成纳米晶白层. 该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成，其形成机制属于塑性变形机制. 从横截面角度观察，白层的形成过程主要分为五个阶段：1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层，铁素体发生细化；2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层，渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状；3)犁沟内形成厚度小于1 μm的白层，其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒；4)犁沟内白层增厚成月牙形；5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接，厚度可达10 μm. 白层剥落过程如下：主要在脊缘处产生裂纹源，表面裂纹沿着与摩擦力成30°~45°方向向犁沟内扩展并交汇，在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展，最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落.
通过对不同转数滑动磨损后的D2高速车轮钢进行表面形貌和微观组织观察与分析，研究白层形成、发展与剥落过程以及他们之间的联系. 结果表明：随着滑动磨损转数的增加，试块表面磨损方式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损，同时在磨损表面形成纳米晶白层. 该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成，其形成机制属于塑性变形机制. 从横截面角度观察，白层的形成过程主要分为五个阶段：1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层，铁素体发生细化；2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层，渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状；3)犁沟内形成厚度小于1 μm的白层，其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒；4)犁沟内白层增厚成月牙形；5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接，厚度可达10 μm. 白层剥落过程如下：主要在脊缘处产生裂纹源，表面裂纹沿着与摩擦力成30°~45°方向向犁沟内扩展并交汇，在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展，最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落.
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2018, 38(3): 247-255
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.001
摘要:
综合考虑接触几何、接触载荷、速度矢量、卷吸夹角、表面粗糙度、流变特性等因素，研究了不同啮合位置以及不同转速下弧齿锥齿轮的摩擦系数与啮合效率. 结果表明：一对啮合副从啮入到啮出过程中，摩擦系数先增大后减小，与相对滑动速度变化趋势相反；一个啮合周期内，弧齿锥齿轮啮合效率与摩擦系数变化规律相似，但在啮出点附近，由于下一对啮合副进入啮合，啮合效率开始增大；随着转速增大，摩擦系数减小，啮合效率增大. 采用文献中已有摩擦系数计算方法分析了弧齿锥齿轮摩擦系数和啮合效率，并与本文中的计算结果进行对比. 结果表明：在节点啮合时，采用经验公式与简化算法的摩擦系数预测结果误差较大，而啮合效率计算误差较小；混合润滑和全膜润滑状态下，基于摩擦系数简化算法的弧齿锥齿轮效率计算结果与本文中的计算结果相近.
综合考虑接触几何、接触载荷、速度矢量、卷吸夹角、表面粗糙度、流变特性等因素，研究了不同啮合位置以及不同转速下弧齿锥齿轮的摩擦系数与啮合效率. 结果表明：一对啮合副从啮入到啮出过程中，摩擦系数先增大后减小，与相对滑动速度变化趋势相反；一个啮合周期内，弧齿锥齿轮啮合效率与摩擦系数变化规律相似，但在啮出点附近，由于下一对啮合副进入啮合，啮合效率开始增大；随着转速增大，摩擦系数减小，啮合效率增大. 采用文献中已有摩擦系数计算方法分析了弧齿锥齿轮摩擦系数和啮合效率，并与本文中的计算结果进行对比. 结果表明：在节点啮合时，采用经验公式与简化算法的摩擦系数预测结果误差较大，而啮合效率计算误差较小；混合润滑和全膜润滑状态下，基于摩擦系数简化算法的弧齿锥齿轮效率计算结果与本文中的计算结果相近.
2018, 38(3): 256-263
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.002
摘要:
为提高HT250刹车盘耐磨、耐腐蚀性，延长服役寿命，对其进行了气体渗氮表面强化处理. 分别对基体和氮化试样进行了微观组织和物相分析，研究了销盘干摩擦的摩擦磨损行为，探讨了HT250渗氮试样的磨损机理. 结果表明：采用530 ℃×10 h气体渗氮时，渗氮层深为0.3 mm，其表层硬度HV0.1 1 140；在20、50和100 N载荷下，渗氮试样摩擦系数均高于基体试样，但磨损率分别降低了11.1%、27.5%和38.3%. 基体试样以疲劳剥层磨损为主，伴随着磨粒磨损；渗氮试样以剥层磨损为主，渗氮层的残余压应力抑制了裂纹的扩展，提高了其耐磨性.
为提高HT250刹车盘耐磨、耐腐蚀性，延长服役寿命，对其进行了气体渗氮表面强化处理. 分别对基体和氮化试样进行了微观组织和物相分析，研究了销盘干摩擦的摩擦磨损行为，探讨了HT250渗氮试样的磨损机理. 结果表明：采用530 ℃×10 h气体渗氮时，渗氮层深为0.3 mm，其表层硬度HV0.1 1 140；在20、50和100 N载荷下，渗氮试样摩擦系数均高于基体试样，但磨损率分别降低了11.1%、27.5%和38.3%. 基体试样以疲劳剥层磨损为主，伴随着磨粒磨损；渗氮试样以剥层磨损为主，渗氮层的残余压应力抑制了裂纹的扩展，提高了其耐磨性.
2018, 38(3): 264-273
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.003
摘要:
研究了高压低速和高速低压两种典型工况条件下干气密封(DGS)螺旋槽的衍生结构演变规律与工况适用性. 基于气体润滑理论，建立了槽堰组合螺旋槽DGS数学模型，采用有限差分法求解稳态雷诺方程. 基于完全析因设计方法，数值计算了不同槽堰组合螺旋槽DGS的稳态密封性能随开槽面积比的变化规律，对比分析了槽堰组合螺旋槽DGS与螺旋槽DGS的密封性能最优值，并提出了不同工况条件下进一步提高螺旋槽DGS气膜刚度的结构改型方向. 结果表明：通过基体螺旋槽与附加密封堰的组合设计有望显著提高螺旋槽DGS的气膜刚度，其中在高速低压条件下附加密封堰设在上游侧中间的双流通槽DGS的气膜刚度增幅达到20%；存在不同的最佳开槽面积比使得槽堰组合螺旋槽获得最大的开启力和气膜刚度.
研究了高压低速和高速低压两种典型工况条件下干气密封(DGS)螺旋槽的衍生结构演变规律与工况适用性. 基于气体润滑理论，建立了槽堰组合螺旋槽DGS数学模型，采用有限差分法求解稳态雷诺方程. 基于完全析因设计方法，数值计算了不同槽堰组合螺旋槽DGS的稳态密封性能随开槽面积比的变化规律，对比分析了槽堰组合螺旋槽DGS与螺旋槽DGS的密封性能最优值，并提出了不同工况条件下进一步提高螺旋槽DGS气膜刚度的结构改型方向. 结果表明：通过基体螺旋槽与附加密封堰的组合设计有望显著提高螺旋槽DGS的气膜刚度，其中在高速低压条件下附加密封堰设在上游侧中间的双流通槽DGS的气膜刚度增幅达到20%；存在不同的最佳开槽面积比使得槽堰组合螺旋槽获得最大的开启力和气膜刚度.
2018, 38(3): 274-282
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.004
摘要:
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Cr2Ti7O17和Cr2O3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Cr2Ti7O17和Cr2O3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Cr2Ti7O17的润滑作用.
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Cr2Ti7O17和Cr2O3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Cr2Ti7O17和Cr2O3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Cr2Ti7O17的润滑作用.
2018, 38(3): 283-290
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.005
摘要:
为提升TA2合金的摩擦学性能，选用Ti-TiC-WS2复合粉末在TA2合金表面激光熔覆钛基高温自润滑耐磨复合涂层. 系统地分析了涂层的物相、显微组织结构和显微硬度；分别在室温(20 ℃)、250 ℃和500 ℃下测试了基体和涂层的摩擦学性能，并分析了其磨损机理. 结果表明：涂层的显微硬度(约HV0.51 005.4)是基体(HV0.5190)的5倍；由于增强相TiC/(Ti，W)C1–x和自润滑相Ti2SC/TiS的综合效应，相比基体，复合涂层在所有试验温度下均具有较小的摩擦系数和磨损率；随着温度的升高，涂层的摩擦系数先变小后升高，在250 ℃下具有最低的摩擦系数(0.257)；涂层的磨损率随温度的升高一直降低，在500 ℃下磨损率最低[0.487×10–5 mm3/(Nm)].
为提升TA2合金的摩擦学性能，选用Ti-TiC-WS2复合粉末在TA2合金表面激光熔覆钛基高温自润滑耐磨复合涂层. 系统地分析了涂层的物相、显微组织结构和显微硬度；分别在室温(20 ℃)、250 ℃和500 ℃下测试了基体和涂层的摩擦学性能，并分析了其磨损机理. 结果表明：涂层的显微硬度(约HV0.51 005.4)是基体(HV0.5190)的5倍；由于增强相TiC/(Ti，W)C1–x和自润滑相Ti2SC/TiS的综合效应，相比基体，复合涂层在所有试验温度下均具有较小的摩擦系数和磨损率；随着温度的升高，涂层的摩擦系数先变小后升高，在250 ℃下具有最低的摩擦系数(0.257)；涂层的磨损率随温度的升高一直降低，在500 ℃下磨损率最低[0.487×10–5 mm3/(Nm)].
2018, 38(3): 291-298
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.006
摘要:
对ZGMn13Cr2钢和Fe-13Mn-xAl-C(x=3、5)系轻质高锰钢在0.5、1.0、2.0和4.0 J冲击功下的磨损性能进行了研究分析，并借助光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对钢的微观组织和冲击磨损表面形貌进行了观察分析. 结果表明：在0.5 J冲击功下，轻质高锰钢的耐磨性最好，相较于ZGMn13Cr2钢，Fe-13Mn-3Al-C钢的耐磨性提高4.39倍，Fe-13Mn-5Al-C钢的耐磨性提高3.83倍；在低应力(0.5 J)状态下ZGMn13Cr2钢和Fe-13Mn-xAl-C(x=3、5)系轻质高锰钢主要以显微切削为主；在高应力(4.0 J)状态下，磨损机制主要以疲劳剥落为主.
对ZGMn13Cr2钢和Fe-13Mn-xAl-C(x=3、5)系轻质高锰钢在0.5、1.0、2.0和4.0 J冲击功下的磨损性能进行了研究分析，并借助光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对钢的微观组织和冲击磨损表面形貌进行了观察分析. 结果表明：在0.5 J冲击功下，轻质高锰钢的耐磨性最好，相较于ZGMn13Cr2钢，Fe-13Mn-3Al-C钢的耐磨性提高4.39倍，Fe-13Mn-5Al-C钢的耐磨性提高3.83倍；在低应力(0.5 J)状态下ZGMn13Cr2钢和Fe-13Mn-xAl-C(x=3、5)系轻质高锰钢主要以显微切削为主；在高应力(4.0 J)状态下，磨损机制主要以疲劳剥落为主.
2018, 38(3): 299-308
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.007
摘要:
运用点接触热弹性流体动压润滑理论，考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响，提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法. 该方法通过将热弹性变形进行热力转换，得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数，计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形，求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性，研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律，结果表明：最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级，并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响. 进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚，验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.
运用点接触热弹性流体动压润滑理论，考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响，提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法. 该方法通过将热弹性变形进行热力转换，得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数，计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形，求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性，研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律，结果表明：最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级，并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响. 进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚，验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.
2018, 38(3): 309-318
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.008
摘要:
为解决水凝胶在溶剂中机械强度差的问题，同时保持其表面低摩擦特性以满足软物质材料的润滑需求，文中通过使用N,N-二甲基甲酰胺/水(DMF/H2O)混合溶剂，采用一步聚合法制备得到氧化石墨烯增强的两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料. 利用流变仪测试了复合水凝胶材料的机械性能，结果表明疏水性组分聚甲基丙烯酸甲酯的对复合水凝胶起到了明显的增强作用. 系统考察了氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料分别在不同亲疏水单体比例和不同DMF/H2O混合比例溶剂中的溶胀和摩擦性能，结果表明两亲性复合水凝胶具有明显的介质响应行为，从而实现在不同溶剂环境下摩擦性能的调控.
为解决水凝胶在溶剂中机械强度差的问题，同时保持其表面低摩擦特性以满足软物质材料的润滑需求，文中通过使用N,N-二甲基甲酰胺/水(DMF/H2O)混合溶剂，采用一步聚合法制备得到氧化石墨烯增强的两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料. 利用流变仪测试了复合水凝胶材料的机械性能，结果表明疏水性组分聚甲基丙烯酸甲酯的对复合水凝胶起到了明显的增强作用. 系统考察了氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料分别在不同亲疏水单体比例和不同DMF/H2O混合比例溶剂中的溶胀和摩擦性能，结果表明两亲性复合水凝胶具有明显的介质响应行为，从而实现在不同溶剂环境下摩擦性能的调控.
2018, 38(3): 319-326
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.009
摘要:
为解决植入人工关节润滑不充分而引起的过早失效问题，文中制备了一种基于石墨烯的仿生关节滑液. 借助氧化石墨烯拥有较好的润滑性能和透明质酸(HA)良好的生物相容性制备了水分散性较好的氧化石墨烯透明质酸(HA-GO)纳米复合材料作为仿生关节润滑液添加剂. 通过核磁共振氢谱、红外光谱、热重分析、原子力扫描显微镜等对HA-GO进行了表征，并考察了其在不同分散介质中的分散性和稳定性. 将HA-GO加入到HA基础溶液里配制成HA+HA-GO人工关节润滑液，系统考察了石墨烯基仿生关节液对ZrO2陶瓷人工关节材料的减摩抗磨作用，结果显示HA+HA-GO仿生关节液具有明显的减摩抗磨性能且具有良好的生物相容性.
为解决植入人工关节润滑不充分而引起的过早失效问题，文中制备了一种基于石墨烯的仿生关节滑液. 借助氧化石墨烯拥有较好的润滑性能和透明质酸(HA)良好的生物相容性制备了水分散性较好的氧化石墨烯透明质酸(HA-GO)纳米复合材料作为仿生关节润滑液添加剂. 通过核磁共振氢谱、红外光谱、热重分析、原子力扫描显微镜等对HA-GO进行了表征，并考察了其在不同分散介质中的分散性和稳定性. 将HA-GO加入到HA基础溶液里配制成HA+HA-GO人工关节润滑液，系统考察了石墨烯基仿生关节液对ZrO2陶瓷人工关节材料的减摩抗磨作用，结果显示HA+HA-GO仿生关节液具有明显的减摩抗磨性能且具有良好的生物相容性.
2018, 38(3): 327-333
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.010
摘要:
为研究打磨参数对钢轨打磨磨石磨损的影响，利用SOLIDWORKS三维软件建立了钢轨打磨模型，在DEFORM-3D有限元软件中设置相应的仿真参数，仿真分析了打磨转速、进给速度及打磨深度对打磨磨石磨损的影响，研究了钢轨材料去除量随打磨参数的变化情况. 结果表明：打磨磨石磨损量随打磨距离近似呈线性增长趋势；打磨磨石磨损量随打磨转速和打磨深度的增加而增加，随进给速度的增加而减小；钢轨材料打磨去除量变化趋势同打磨磨石的磨损量相一致，而且二者的变化原因也是相辅相成的. 研究结果为现场钢轨打磨参数优化提供了重要的理论依据.
为研究打磨参数对钢轨打磨磨石磨损的影响，利用SOLIDWORKS三维软件建立了钢轨打磨模型，在DEFORM-3D有限元软件中设置相应的仿真参数，仿真分析了打磨转速、进给速度及打磨深度对打磨磨石磨损的影响，研究了钢轨材料去除量随打磨参数的变化情况. 结果表明：打磨磨石磨损量随打磨距离近似呈线性增长趋势；打磨磨石磨损量随打磨转速和打磨深度的增加而增加，随进给速度的增加而减小；钢轨材料打磨去除量变化趋势同打磨磨石的磨损量相一致，而且二者的变化原因也是相辅相成的. 研究结果为现场钢轨打磨参数优化提供了重要的理论依据.
2018, 38(3): 334-341
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.011
摘要:
以酚醛树脂(PF)、碳纳米管(CNTs)和泡沫铜(Cu)为原料，在反应釜内经无压浸渗和加压固化技术，制得一种新型PF/CNTs-Cu复合材料. 在CSM摩擦磨损仪上，对不同CNTs含量的PF/CNTs-Cu复合材料进行了载流摩擦磨损测试. 结果表明：未经CNTs改性的PF/Cu复合材料，摩擦系数和磨损率均最大，摩擦表面存在大量的犁沟痕迹，表现为典型的磨粒磨损. 经CNTs改性后的PF/CNTs-Cu复合材料，载流摩擦磨损性能获得较大程度的改善. 当CNTs质量分数在0.25%~1.0%范围内时，随着CNTs含量的增加，摩擦系数和磨损率逐渐减小，并在质量分数为1.0%时达到最小值. 摩擦磨损机制则由最初的磨粒磨损逐渐转变为黏着磨损. 当CNTs达到1.5%时，由于CNTs的团聚作用，导致复合材料的摩擦磨损性能急剧下降，摩擦磨损机制转变为磨粒磨损和黏着磨损共同作用形式.
以酚醛树脂(PF)、碳纳米管(CNTs)和泡沫铜(Cu)为原料，在反应釜内经无压浸渗和加压固化技术，制得一种新型PF/CNTs-Cu复合材料. 在CSM摩擦磨损仪上，对不同CNTs含量的PF/CNTs-Cu复合材料进行了载流摩擦磨损测试. 结果表明：未经CNTs改性的PF/Cu复合材料，摩擦系数和磨损率均最大，摩擦表面存在大量的犁沟痕迹，表现为典型的磨粒磨损. 经CNTs改性后的PF/CNTs-Cu复合材料，载流摩擦磨损性能获得较大程度的改善. 当CNTs质量分数在0.25%~1.0%范围内时，随着CNTs含量的增加，摩擦系数和磨损率逐渐减小，并在质量分数为1.0%时达到最小值. 摩擦磨损机制则由最初的磨粒磨损逐渐转变为黏着磨损. 当CNTs达到1.5%时，由于CNTs的团聚作用，导致复合材料的摩擦磨损性能急剧下降，摩擦磨损机制转变为磨粒磨损和黏着磨损共同作用形式.
2018, 38(3): 342-348
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.012
摘要:
本工作重点研究了混合/流体润滑状态下原位离子液体添加剂的摩擦学性能，选用聚乙二醇(PEG-400)作基础油，将双(三氟甲基磺酰)亚胺锂盐(LiTFSI)溶解在PEG中原位合成离子液体. 利用微型牵引力试验机测量在室温、60和80 ℃以及不同滑滚比下摩擦系数随卷吸速度的变化，研究离子液体添加剂的有效性以及离子液体添加剂对PEG流变行为的影响. 本研究中将为深入研究离子液体的润滑机理提供一种新的研究手段，对于指导设计新型离子液体润滑材料具有较为重要的意义.
本工作重点研究了混合/流体润滑状态下原位离子液体添加剂的摩擦学性能，选用聚乙二醇(PEG-400)作基础油，将双(三氟甲基磺酰)亚胺锂盐(LiTFSI)溶解在PEG中原位合成离子液体. 利用微型牵引力试验机测量在室温、60和80 ℃以及不同滑滚比下摩擦系数随卷吸速度的变化，研究离子液体添加剂的有效性以及离子液体添加剂对PEG流变行为的影响. 本研究中将为深入研究离子液体的润滑机理提供一种新的研究手段，对于指导设计新型离子液体润滑材料具有较为重要的意义.
2018, 38(3): 349-355
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.013
摘要:
本文作者通过原子力显微镜，以球形金刚石针尖作为对摩副，在大气环境下对磷酸盐激光玻璃、K9光学玻璃、熔融石英玻璃三种用于ICF系统的典型光学玻璃的纳米划痕行为进行了定量研究. 结果表明：随着载荷的增加，三种玻璃的摩擦系数均表现为先保持恒定再剧烈上升的变化趋势. 这是由于随着载荷的增加，摩擦机理由界面摩擦主导逐步转变为犁沟摩擦和界面摩擦共同主导所致. 在相同的法向载荷作用下，磷酸盐玻璃的摩擦系数最高，K9光学玻璃次之，熔融石英玻璃的摩擦系数最小，这与三种玻璃的机械性能以及它们的表面亲水性密切相关. 在相同的载荷下，磷酸盐玻璃和K9玻璃的划痕损伤表现为材料凹陷和堆积并存，而熔融石英玻璃的划痕损伤仅表现为划痕区域明显的凹陷变形. 在所有载荷下，熔融石英玻璃的划痕残余深度均略高于磷酸盐玻璃；K9玻璃在低载时的划痕深度在三种玻璃中最大，中载时居中，而高载时最小. 不同载荷下玻璃表层的机械性能、塑性流动方式以及其致密化程度都将对最终的划痕残余深度产生影响.
本文作者通过原子力显微镜，以球形金刚石针尖作为对摩副，在大气环境下对磷酸盐激光玻璃、K9光学玻璃、熔融石英玻璃三种用于ICF系统的典型光学玻璃的纳米划痕行为进行了定量研究. 结果表明：随着载荷的增加，三种玻璃的摩擦系数均表现为先保持恒定再剧烈上升的变化趋势. 这是由于随着载荷的增加，摩擦机理由界面摩擦主导逐步转变为犁沟摩擦和界面摩擦共同主导所致. 在相同的法向载荷作用下，磷酸盐玻璃的摩擦系数最高，K9光学玻璃次之，熔融石英玻璃的摩擦系数最小，这与三种玻璃的机械性能以及它们的表面亲水性密切相关. 在相同的载荷下，磷酸盐玻璃和K9玻璃的划痕损伤表现为材料凹陷和堆积并存，而熔融石英玻璃的划痕损伤仅表现为划痕区域明显的凹陷变形. 在所有载荷下，熔融石英玻璃的划痕残余深度均略高于磷酸盐玻璃；K9玻璃在低载时的划痕深度在三种玻璃中最大，中载时居中，而高载时最小. 不同载荷下玻璃表层的机械性能、塑性流动方式以及其致密化程度都将对最终的划痕残余深度产生影响.
2018, 38(3): 356-363
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.014
摘要:
进行了滑动摩擦磨损和高速干切削试验，研究了Al2O3/TiCN涂层硬质合金刀具材料的磨损机理. 结果表明：摩擦系数随着滑动速度的增加而减小，在FN=10 N时，摩擦系数最大. 随着载荷和滑动速度的增加，磨损率有减小的趋势. 受摩擦力和摩擦热的作用，在涂层刀具材料表面形成鱼鳞状的粘结层，随着速度和载荷增加，粘结的金属材料增多. 在刀具前刀面靠近刀尖处形成了耐磨氧化物，提高刀具抗磨损性能，但在后刀面易形成少量的铁氧化物，加剧刀具磨损. 其中，在刀具材料磨损表面形成的次生粘结层或氧化薄膜(如TiO2、SiO2)，起到了润滑、减摩的作用，有利于刀具材料耐磨性能的提高. 本文中的研究成果可望在指导高强度钢类材料的高效、高质量加工中发挥积极地作用.
进行了滑动摩擦磨损和高速干切削试验，研究了Al2O3/TiCN涂层硬质合金刀具材料的磨损机理. 结果表明：摩擦系数随着滑动速度的增加而减小，在FN=10 N时，摩擦系数最大. 随着载荷和滑动速度的增加，磨损率有减小的趋势. 受摩擦力和摩擦热的作用，在涂层刀具材料表面形成鱼鳞状的粘结层，随着速度和载荷增加，粘结的金属材料增多. 在刀具前刀面靠近刀尖处形成了耐磨氧化物，提高刀具抗磨损性能，但在后刀面易形成少量的铁氧化物，加剧刀具磨损. 其中，在刀具材料磨损表面形成的次生粘结层或氧化薄膜(如TiO2、SiO2)，起到了润滑、减摩的作用，有利于刀具材料耐磨性能的提高. 本文中的研究成果可望在指导高强度钢类材料的高效、高质量加工中发挥积极地作用.
2018, 38(3): 364-372
doi: 10.16078/j.tribology.2018.03.015
摘要:
髋关节假体服役过程中会产生高于天然关节的摩擦热，引起假体与滑液温度上升进而改变髋关节假体的松动失效机制. 研究摩擦热作用下假体摩擦特性、滑液润滑特性及相关细胞生物学特性，对提高假体体内使用寿命具有重要意义. 本文中重点阐述摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展，并对其发展趋势进行展望.
髋关节假体服役过程中会产生高于天然关节的摩擦热，引起假体与滑液温度上升进而改变髋关节假体的松动失效机制. 研究摩擦热作用下假体摩擦特性、滑液润滑特性及相关细胞生物学特性，对提高假体体内使用寿命具有重要意义. 本文中重点阐述摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展，并对其发展趋势进行展望.
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