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涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状
黄辉, 万善宏, 易戈文, 周峰
doi: 10.16078/j.tribology.2020170
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1558KB] (0)
摘要:
氢气作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,在未来我国终端能源体系占比至少10%,以氢能作为汽车和飞机动力学系统燃料的研究成为热点. 机械运动部件表界面与氢介质将发生复杂的物理化学反应,影响着机械运动接触面的摩擦学行为,使役过程中氢致疲劳、磨损及腐蚀失效行为,严重制约着机械动力部件运行稳定性、可靠性和安全性. 本文中重点调研了国际上氢气气氛环境下机械运动部件材料的摩擦磨损行为研究进展,总结了氢气环境下聚合物基、陶瓷基、金属基及低维度固体颗粒材料的摩擦磨损行为及其损伤失效演变规律,进一步阐述了摩擦工况下氢气和其他气体介质共存与使役材料的摩擦学行为之间的关联性. 从摩擦学角度提出了抑制氢致损伤的可行性关键技术及防护材料,并对未来涉氢机械部件服役安全性的科学问题进行了展望.
恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析
刘明, 李国翔, 周超, 高诚辉
doi: 10.16078/j.tribology.2020140
[摘要](190) [HTML全文](54) [PDF 1385KB] (7)
摘要:
采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.

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研究论文
大环径比O形金属橡胶密封件的疲劳力学特性及试验研究
陈祺鑫, 黄伟, 任志英, 杨洋洋, 白鸿柏, 尧杰程
2021, 41(3): 293 -303   doi: 10.16078/j.tribology.2020138
[摘要](587) [HTML全文](161) [PDF 1817KB] (60)
摘要:
金属橡胶内部线匝之间相互咬合钩联,形成非常复杂的空间网状结构,是一种累积损伤的材料,而金属橡胶密封件除了内部线匝还有外包覆,因此常规金属疲劳理论无法适用. 以O形金属橡胶密封件作为研究对象,搭建疲劳损伤试验,选取耗能ΔW,损耗因子η和损伤因子D作为疲劳损坏评判指标,开展大环径比O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究和疲劳寿命试验,采用控制变量法研究加载振幅、激振频率、孔隙度对金属橡胶疲劳磨损和疲劳寿命的影响. 研究结果表明:金属橡胶密封件的迟滞回线呈现明显的“柳叶状”,并且在15万次振动周期前耗能能力有所下降;金属橡胶密封件的刚度随着孔隙度的减小而增加,试验样件的疲劳损伤随着孔隙度的减小而增加;加载振幅的增加会不同程度地加剧金属橡胶密封件的疲劳磨损,试验内容填补了O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究的空白,为金属橡胶密封件的疲劳寿命研究提供一定的基础.

Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究
黄国威, 樊舒凯, 李婷, 孙涛, 樊恒中, 苏云峰, 宋俊杰
2021, 41(3): 304 -315   doi: 10.16078/j.tribology.2020171
[摘要](553) [HTML全文](173) [PDF 3361KB] (55)
摘要:
借助激光微加工技术,将柔性石墨纸加工成规则排列的多孔结构,利用多孔柔性石墨纸在Cu663合金表面构筑石墨-铜三维复合润滑层结构. 分别考察了表面石墨-铜三维复合润滑层在干摩擦和海水腐蚀环境下的摩擦学性能,并揭示了摩擦磨损机理和腐蚀机理. 结果表明:该三维复合润滑层结构具有优异的自润滑性能,且通过改变纹理图案和尺寸参数可有效调控其摩擦学性能. 当Cu663合金表面三维复合润滑层石墨表面密度为50%时,干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.14 ± 0.01和(5.10 ± 1.33) ×10−6 mm3/(Nm),相较于无润滑层的Cu663样品摩擦系数0.53和磨损率(2.97 ± 0.57) ×10−4 mm3/(Nm)分别降低73%和2个数量级. 在海水腐蚀环境中,表面石墨-铜三维复合润滑层的铜与石墨纸界面产生微弱电极,对三维复合润滑层的腐蚀摩擦性能起到至关重要的作用.

考虑磨损的接触式端面密封模型及试验
惠玉祥, 刘莹, 王悦昶, 黄伟峰, 李永健
2021, 41(3): 316 -324   doi: 10.16078/j.tribology.2019251
[摘要](456) [HTML全文](151) [PDF 1645KB] (42)
摘要:
针对油润滑窄端面接触式端面密封,建立了考虑端面稳定磨损的密封性能分析模型. 基于流体承载和固体接触承载共同平衡闭合力的传统思路,引入Archard磨损模型,创新性地提出沿窄端面径向方向磨损均匀假设,从而使用半解析方法得到近似固体接触力、流体承载力及介质膜厚分布. 在此基础上耦合密封环组件力和热变形,最终得到密封泄漏量、端面温度等性能参数. 相应台架试验结果也较好地验证了模型的正确性. 所建模型对于窄端面接触式端面密封的性能分析和密封优化设计具有指导意义.

齿轮磁流体润滑与动力学耦合研究
菅光霄, 王优强, 于晓, 李云凯, 罗恒
2021, 41(3): 325 -333   doi: 10.16078/j.tribology.2020155
[摘要](415) [HTML全文](124) [PDF 4370KB] (27)
摘要:
为探究齿轮磁流体润滑与动力学的耦合效应,考虑外磁场及时变啮合刚度的激励作用,建立齿轮磁流体润滑模型与动力学模型,分析磁感应强度对磁流体黏度、油膜刚度、动载荷分布以及润滑特性的影响. 研究结果表明:适当增大磁感应强度并使磁流体中的磁性颗粒达到其饱和磁化强度,可以减小动态传递误差、齿轮副振动速度以及动载荷,改善啮入冲击和换齿冲击;较大的磁感应强度可以降低油膜温升,增大油膜厚度并使油膜压力和油膜厚度的振幅减小且加快其趋于稳定的速度,在改善润滑效果的同时并在一定程度上抑制齿轮系统振动和噪声的产生.

SiC与球形石墨颗粒混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究
金延文, 曲彦平, 王东, 肖伯律, 王全兆, 倪丁瑞, 马宗义
2021, 41(3): 334 -343   doi: 10.16078/j.tribology.2020035
[摘要](443) [HTML全文](259) [PDF 1913KB] (43)
摘要:
以6092铝合金为基体,通过粉末冶金法分别制备了球形石墨颗粒(Gr)以及SiCp和Gr混杂增强的铝基复合材料,并采用田口模型结合方差分析,对复合材料与铜合金摩擦副之间的干滑动摩擦磨损行为进行了分析研究. 结果表明:随着载荷从10 N增至20 N,3种复合材料的摩擦系数、磨损率均相应增加;随滑动速率从0.5 m/s增至1.0 m/s,15%Gr/6092Al和(5%Gr+20%SiCp)/6092Al的摩擦系数先减小后增大;而(5%Gr+10%SiCp)/6092Al的摩擦系数呈递减趋势. 相同条件下,单一石墨颗粒增强的复合材料的磨损率大于混杂增强的复合材料的磨损率. 方差分析的结果表明:增强相百分比单独作用、增强相百分比和滑动速率相互作用以及滑动速率单独作用3个因素对磨损率和摩擦系数产生了显著的影响. 随SiCp含量增加,材料硬度增加,SiCp对基体起到支撑保护作用,磨损面上的磨痕变浅,分层剥落现象明显减轻,磨屑变得细小,摩擦系数更为稳定,磨损机制由剥层磨损向磨粒磨损转变.

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究
李云凯, 王优强, 菅光霄, 罗恒
2021, 41(3): 344 -356   doi: 10.16078/j.tribology.2020117
[摘要](521) [HTML全文](154) [PDF 2071KB] (55)
摘要:
水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.

原位自生TiC对低合金马氏体钢磨料磨损性能的影响
邱涵, 李杰, 涂小慧, 李卫
2021, 41(3): 357 -364   doi: 10.16078/j.tribology.2020159
[摘要](355) [HTML全文](112) [PDF 1783KB] (23)
摘要:
以新型含TiC马氏体钢Ti60和商用不含碳化物马氏体钢JFE400为研究对象,通过三体磨料磨损试验机研究在纯煤粉和纯煤粉掺杂40%(质量分数)石英砂为磨料下,TiC硬质相对低合金马氏体钢磨料磨损性能的影响及其作用机理. 结果表明:在纯煤粉环境下,Ti60钢的磨损体积大于JFE400钢;但在纯煤粉掺杂40%(质量分数)石英砂环境下,Ti60钢的磨损体积却小于JFE400钢. 根据磨痕表面的形貌,上述结果是由以下几方面综合作用造成的. 首先,两种环境下材料的磨损机制均主要是犁削磨损;其次,煤粉颗粒的层状结构及低硬度的特性,使得TiC硬质相对其犁削行为起不到阻碍作用,而块状结构且具有高硬度的石英砂颗粒的犁削行为则受到TiC硬质相的阻碍. 所以在纯煤环境下,基体硬度较大的JFE400钢,相对于基体硬度较小的Ti60钢,呈现出较优的抗磨料磨损的性能. 而在纯煤粉掺杂40%(质量分数)石英砂环境下,Ti60钢的抗磨粒磨损性能却优于JFE400钢.

转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响
孙逸翔, 宋晨飞, 李家伟, 张燕燕, 张永振
2021, 41(3): 365 -372   doi: 10.16078/j.tribology.2020084
[摘要](381) [HTML全文](126) [PDF 1756KB] (20)
摘要:
使用滚动载流摩擦试验机研究了水环境下转速对纯铜滚动载流摩擦性能和表面损伤的影响. 转速从30 r/min增至480 r/min,水下摩擦系数从1.06降低至0.49,且水下摩擦系数远高于干态摩擦系数;水下接触电阻从0.57 Ω升高至6.4 Ω,且水下接触电阻比干态下更高. 分析可能的机制如下:低转速时水主要表现出毛细作用,导致摩擦系数较高,材料表面发生明显的层片状剥落;高转速时水体现出部分润滑作用,摩擦系数降低,但“水压”作用导致材料表面发生疲劳剥落. 不同转速下疲劳损伤形式转变是摩擦系数降低和水压作用增强竞争的结果. 本文试验条件下表面损伤形式转变的临界转速在200~240 r/min之间. 载流摩擦表面发生了电化学氧化,但由于低转速表面剥落严重,导致表面O: Cu原子个数比较低,接触电阻较低.

不同尖锐度纹理形状的摩擦触觉感知与表征研究
唐玮, 张梅梅, 刘瑞, 杨雷, 余闯, 朱华
2021, 41(3): 373 -381   doi: 10.16078/j.tribology.2020114
[摘要](340) [HTML全文](114) [PDF 1310KB] (7)
摘要:
通过开展触觉感知不同尖锐度纹理形状的接触摩擦特性、主观认知行为和功能核磁共振试验,从皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”全面系统地对不同纹理形状的摩擦触觉感知进行了量化表征研究. 研究表明:接触摩擦力、主观评价、激活脑区面积和强度是表征摩擦触觉感知的有效参数. 触摸不同纹理表面的摩擦力中黏着摩擦力比形变摩擦力占比大,触摸平角纹理的摩擦力最大,尖角纹理的摩擦力最小. 黏着感主要受接触面积和黏着摩擦力的影响;尖锐感主要受触觉感受体所受应力和形变摩擦的影响;而舒适感受到表面摩擦机制和触觉感受体所受应力综合影响. 触觉感知纹理形状激发的大脑功能区以躯体感觉皮层为主,激活脑区主要位于中央前回和后回. 触摸过程的舒适感与激活脑区大小和强度成反比,舒适感差的纹理激发的脑区范围和强度大,且存在负激活现象.

两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究
向鹏程, 蒋文娟, 丁昊昊, 王文健, 郭俊, 刘启跃
2021, 41(3): 382 -392   doi: 10.16078/j.tribology.2020142
[摘要](400) [HTML全文](131) [PDF 2933KB] (14)
摘要:
研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性. 结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区. 母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝区为珠光体与先共析铁素体且正火后铁素体含量较多,热影响区淬火后为粒状珠光体而正火后存在少量片层状珠光体. 焊接接头不同区域硬度大小为母材区>淬火焊缝区>正火焊缝区>正火热影响区>淬火热影响区. 硬度越低的区域,冲击深度和磨损体积越大. 母材区冲击损伤轻微,表面呈轻微剥落;焊缝区损伤较严重,出现明显裂纹且正火后损伤较淬火后严重;热影响区损伤最为严重且正火后损伤较淬火后略轻微.

合金元素Ta、Ag对镍基合金机械性能和摩擦学性能的影响及机理研究
赵高攀, 张鹏林, 王文珍, 易戈文
2021, 41(3): 393 -403   doi: 10.16078/j.tribology.2020163
[摘要](332) [HTML全文](128) [PDF 3394KB] (15)
摘要:
利用高能球磨和真空热压烧结方法制备了添加Ta和Ag的镍基复合材料. 考察了复合材料在宽温域范围内的摩擦磨损性能和力学性能,利用SEM、XRD等表征分析其物相组成、磨损机理及断裂机制. 结果表明: 热压烧结过程中,Ta与石墨模具中的C反应生成TaC陶瓷相并在基体中弥散分布;Ta、Ag的加入降低了材料的摩擦磨损,NiCrMoAl-Ta-Ag复合材料实现了在室温~800 ℃的连续润滑,室温时Ag提供润滑作用,中温时由磨屑和Ag形成局部润滑膜,800 ℃时磨损表面形成了含氧化物、钼酸银和Ag的润滑膜. 加入Ta极大提高了材料的机械性能,NiCrMoAl-Ta合金在室温~1 000 ℃具有优异的机械性能,归因于原位生成的TaC和Al2O3陶瓷相的弥散强化;材料的断裂机制随温度升高由微孔聚集型断裂转变为以微孔聚集型和氧化断裂为主的断裂.

两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算
周峰, 鲍路瑶, 蔡美荣, 刘维民
2021, 41(3): 404 -413   doi: 10.16078/j.tribology.2021091
[摘要](512) [HTML全文](127) [PDF 2246KB] (37)
摘要:
提出了离子液体和酯类化合物两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算框架,建立了通过分子几何拓扑结构-力场参数分配-分子模型构建-参数计算的全流程高通量方法,利用充足的计算资源,可以实现万级规模的高通量并发计算. 创新性地提出了两层高通量并发-并行算法:第一层将润滑剂库分块,每一块并发计算;第二层单个润滑剂采用多CPU并行计算,大大提高了计算效率. 以离子液体为例测试了高通量算法和代码,最大进行了100级高通量计算,结果表明,该高通量算法具有很好的稳定性和计算效率,得到的物性参数和摩擦系数与实验值相吻合.

Ti6Al4V合金激光熔覆Ti3SiC2增强Ni60复合涂层组织与摩擦学性能
祝杨, 庄宿国, 刘秀波, 刘一帆, 柯金, 孟元
2021, 41(3): 414 -422   doi: 10.16078/j.tribology.2020168
[摘要](319) [HTML全文](116) [PDF 1606KB] (15)
摘要:
为了提高Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,在其表面利用激光熔覆技术制备出两种不同配比的Ti3SiC2/Ni60复合涂层,分别是5%Ti3SiC2+Ni60(N1)和10%Ti3SiC2+Ni60(N2)(均为质量分数),研究了这两种涂层在室温、300和600 ℃下的微观组织、显微硬度、摩擦学性能表现及相关磨损机理. 结果表明:涂层主要由硬质相TiC/TiB/TixNiy,γ-Ni固溶体连续相和润滑相Ti3SiC2组成. N1、N2涂层的显微硬度均为基体(350HV0.5)的3倍左右,分别为1 101.90HV0.5 和1 037.23HV0.5 ,在室温、300和600 ℃下的摩擦系数分别为0.39、0.35、0.30和0.41、0.45、0.44,均小于基体的摩擦系数(0.51、0.49、0.47). N1、N2涂层在室温、300和600 ℃下的磨损率分别为3.07×10−5、1.47×10−5、0.77×10−5 mm3/(N·m)和1.45×10−5、0.96×10−5、0.62×10−5 mm3/(N·m),均远小于基体[35.96×10−5、25.99×10−5、15.18×10−5mm3/(N·m)]. 在本文中Ti3SiC2提高了Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,使得N1涂层表现出更好的减摩性能,N2涂层表现出更好的耐磨性能. 室温下,磨粒磨损、塑性变形以及轻微的黏着磨损为两种涂层的主要磨损机理;300 ℃时,塑性变形、氧化磨损和黏着磨损是N1涂层的对应机理,600 ℃时出现了三体磨粒磨损;在300和600 ℃时,黏着磨损、氧化磨损及磨粒磨损为N2涂层的主要磨损机理.

评述与进展
核反应堆中锆合金包壳及其表面涂层的微动磨损行为研究进展
江海霞, 段泽文, 马鹏翔, 王鹏
2021, 41(3): 423 -436   doi: 10.16078/j.tribology.2020222
[摘要](415) [HTML全文](137) [PDF 2246KB] (23)
摘要:
包壳的微动磨损是世界压水堆燃料失效的主要原因,因此理解核反应堆中燃料包壳微动磨损行为对核反应堆安全运行至关重要. 服役于核裂变堆一回路的锆合金包壳,不但承受着堆内高温高压冷却剂的冲刷,还面临腐蚀、强中子辐照的苛刻环境. 本文作者从机械因素、水工条件、辐照和腐蚀几个方面总结了反应堆中服役环境对包壳微动摩擦行为的影响,并阐述了事故容错燃料(ATF)包壳涂层的研究进展及其对格-棒间微动磨损的影响. 最后对核反应堆包壳的微动磨损、腐蚀磨损未来的研究方向进行了展望.

轴电流作用下电机轴承润滑脂研究进展
夏延秋, 冯欣
2021, 41(3): 437 -446   doi: 10.16078/j.tribology.2020068
[摘要](620) [HTML全文](214) [PDF 1660KB] (30)
摘要:
发电机和电动机是最普遍使用的动力设备之一,电机轴承润滑脂是保证电机稳定、高效运转的关键,电机轴承在轴电流作用下润滑脂性能退化,会导致轴承失效. 作者在本文中介绍了电机轴承轴电流的产生和危害,同时对电机轴承润滑脂性能和作用进行了分析, 重点介绍了如何防止和抑制轴电流对轴承的损伤,并指出电机轴承润滑脂需要解决的问题和未来发展的趋势.

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