2016年36卷5期

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超导磁力与静压液膜力复合轴承的静动特性分析
陈润霖, 许吉敏, 卫洋洋, 袁小阳
2016, 36(5):531-537. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.001
[摘要](566) [PDF 5426KB](561)
摘要:
以新一代液体火箭发动机涡轮泵为应用前景,提出了一种带小孔节流的超导-液体静压复合推力轴承。该复合轴承由6块圆形超导瓦和6块带有小孔节流的圆形液体静压推力瓦构成,依靠涡轮泵系统自带的低温介质(如液氢液氧等),可以实现超导磁斥力与流体静压力的复合。基于解耦方法分析了复合轴承的静动特性,重点研究不同液膜厚度下复合轴承的承载力和刚度随节流孔径、液腔直径等的变化规律。在设计工作点附近,超导推力瓦和静压推力瓦的承载力大体相当,而后者的刚度则是前者的300倍以上。理论结果表明该复合结构既可以保证启动阶段无接触摩擦,又能在工作阶段保持较高刚度以抗冲击,对设计高可靠性火箭涡轮泵的轴系结构具有参考价值。

热冲压模具钢SDCM高温摩擦磨损性能
陈士浩, 李爽, 吴晓春
2016, 36(5):538-545. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.002
[摘要](592) [PDF 51844KB](755)
摘要:
为了研究新型热冲压模具材料SDCM钢的高温摩擦磨损性能,对比国外优质热作模具材料CR7V钢,利用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射分析(XRD),UMT-3型高温摩擦磨损试验机以及Bruker白光轮廓仪等手段研究了新型热冲压模具钢SDCM热处理后组织状态、抗氧化性能以及不同温度高温摩擦磨损后磨痕形貌、截面形貌、表面物相。结果表明:不同温度下SDCM钢磨损机制差异明显,100℃时,材料主要为黏着磨损,经过300℃、500℃轻微氧化磨损与黏着磨损共存的阶段后,700℃时,磨损机制转变为氧化磨损;在100~400℃范围内,CR7V由于含有更多的M23C6型和M7C3型碳化物(分别占总碳化物的3.4%和12.7%),因而具有较高的耐磨性;500~700℃范围内,SDCM因具有更高的抗回火软化能力;同时Cr元素含量较少,抗氧化能力较弱,能够及时形成摩擦氧化层,作为“润滑剂”,提高材料的耐磨性。

MGO-MicroLMs/PS微胶囊润滑复合材料制备及摩擦学性能
郭军红, 张鹏中, 慕波, 崔锦峰, 包雪梅, 杨保平
2016, 36(5):546-554. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.003
[摘要](488) [PDF 35460KB](662)
摘要:
以改性氧化石墨烯(MGO)/聚苯乙烯为复合壁材,硬脂酸丁酯为润滑芯材,通过种子微悬浮聚合法制备了改性氧化石墨烯微胶囊润滑材料(MGO-MicroLMs),以MGO-MicroLMs为润滑添加剂,经本体浇铸成型制备MGOMicroLMs/PS复合材料。采用IR和SEM表征了化学组成和微观形貌,以微机控制电子万能试验拉伸机和高速往复摩擦磨损试验仪评价了断裂行为和摩擦学性能,以Mico-XAM非接触式三维表面轮廓仪观察磨痕表面形貌并计算磨损率。结果表明:MGO-MicroLMs在聚苯乙烯基体中具有良好的分散性和相容性,同时对聚苯乙烯基体材料具有增韧效果;MGO-MicroLMs可以提高聚苯乙烯基体材料摩擦磨损性能,具有润滑和减摩作用,MGO-MicroLMs润滑机理为边界润滑。

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响
范娜, 王云霞, 王秋凤, 阎逢元
2016, 36(5):555-561. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.004
[摘要](569) [PDF 37284KB](712)
摘要:
采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析。结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响。在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区。摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小。磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化。同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失。随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大。磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损。

单晶硅的纳米力学响应及其相变机制
韩静, 孙甲鹏, 方亮
2016, 36(5):562-570. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.005
[摘要](522) [PDF 60864KB](551)
摘要:
硅在大规模集成电路、MEMS/NEMS、半导体工业中具有不可替代作用,但是目前对硅的塑性变形及其相变机制的理解远未成熟。采用大规模分子动力学模拟研究(100)面的单晶硅在球形金刚石压头纳米压入过程中的纳米力学响应、相变过程和相分布规律。结果表明:在弹性变形阶段载荷-压深曲线与Hertz接触理论预测结果相吻合.两者的分离点准确地预示了塑性变形的发生。金刚石结构的Si-I相向体心结构的BCT5相转变导致了单晶硅初始的塑性变形。初始形成的BCT5相在次表面形成了一个倒置的金字塔形结构。Si-II相的形成则稍微滞后一些。在较大的载荷下BCT5在压入面上形成一个四重对称的图案分布。相对于小压头条件下大的BCT5相区,大压头更有利于Si-II相的发展。卸载后生成的高压Si-II相和BCT5相全部转变为非晶硅。研究结果确认了单晶硅纳米压入中BCT5相的存在;揭示了单晶硅塑性变形的相变机理,即Si-I转变为BCT5和Si-II相;并强调了Si-I相向BCT5相转变对于单晶硅塑性变形的重要作用。

磁场作用下基础油和含磷酸三甲酚酯润滑油的摩擦磨损特性
江泽琦, 方建华, 陈波水, 吴江, 郑哲, 刘宇航, 李昊
2016, 36(5):571-576. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.006
[摘要](607) [PDF 17236KB](443)
摘要:
在四球摩擦磨损试验机的摩擦区域外加磁场,考察了150SN基础油和添加磷酸三甲酚酯(TCP)润滑油在磁场作用下的摩擦磨损性能,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了磨斑表面形貌及典型元素的化学状态,并对摩擦学机理进行了初步探讨。摩擦学试验结果表明:在磁场作用下,基础油和含TCP润滑油中钢球的磨斑直径均比无磁场时小,而两种油样的摩擦系数均比无磁场时大。XPS分析表明:磁场对润滑油摩擦学性能的影响与边界润滑膜的性质有关,磁场有利于TCP中P和O元素与金属表面的键合,促进了金属表面摩擦化学反应膜的形成,增强了含TCP润滑油的抗磨性能。

基于原位和RNT技术的铜锌合金摩擦磨损性能
刘麟, 詹普杰, 刘文明, 刘雪东, 张志臣, Martin Dienwiebel
2016, 36(5):577-584. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.007
[摘要](585) [PDF 25468KB](370)
摘要:
采用基于原位全息显微技术和放射性核素技术的摩擦磨损试验装置,在润滑条件下对CuZn36/100Cr6配对摩擦体系中CuZn36的磨损行为进行了研究。利用装置中的全息显微镜对CuZn36磨痕表面微观形貌和粗糙度进行原位分析,利用放射性核素磨损量测量系统精确测量CuZn36的实时磨损量;利用扫描电镜对CuZn36及100Cr6钢球磨面进行观察和分析,利用X射线光电子能谱分析仪对CuZn36磨痕表层的元素化合态进行定量分析。结果表明:在试验法向载荷为1.9~3.0MPa范围内时,CuZn36表现出良好耐磨性,原因是CuZn36在试验过程中形成了具有高硬度和自润滑性的ZnO强化层,主要磨损方式为疲劳磨损。在较差磨合试验过程中,磨痕表面耐磨层一直处于“形成-破坏-再形成-再破坏”的动态过程,主要磨损方式为磨粒磨损和黏着磨损。

雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究
马学忠, 孟祥铠, 王玉明, 沈明学, 彭旭东
2016, 36(5):585-591. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.008
[摘要](616) [PDF 5444KB](507)
摘要:
基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了雷列台阶-环槽机械密封端面润滑理论模型,采用有限单元法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压、密度比与液膜流线分布,分析了其密封机理与性能规律。结果表明:密封环端面内径侧的圆环浅槽和端面中部的圆环深槽组合结构可造成合理的空化现象,达到空化减漏的目的。其中,端面中部的圆环深槽是端面高压侧雷列台阶和端面低压侧圆环浅槽的隔离带,使得端面低压侧压力分布受端面高压侧压力分布的影响极小。密封流体进入低压侧圆环浅槽时,端面间隙突然发散,压力低于该工况温度下的饱和蒸汽压,整个圆环浅槽区液膜空化,达到零泄漏并出现大量的回流现象。外径侧雷列台阶提供良好的动压承载能力,实现了端面的非接触。雷列台阶和环槽织构的组合应用使得该机械密封具有优良的综合性能。

磨盘材料和温度对TC11合金磨损行为的影响
王兰, 王树奇, 丁红燕, 刘爱辉
2016, 36(5):592-598. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.009
[摘要](516) [PDF 30501KB](608)
摘要:
对TC11合金与两种不同硬度的GCr15和W6Mo5Cr4V2在25、400和600℃对摩时的磨损行为进行了研究.利用SEM、EDS以及XRD等对试样磨面和剖面的形貌、成分及结构进行了观察与分析。结果表明:TC11合金与三种不同硬度的磨盘对摩后,在25℃,磨损率均随载荷的增加而增加,且磨损率较高,磨损表面呈现黏着和犁沟特征,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;在400℃,合金与低硬度GCr15对摩时,磨损表面被黑色光滑氧化物所覆盖,磨损机理为氧化轻微磨损;与高硬度GCr15对摩时,在50和150N,磨损表面呈现黑色光滑氧化物和犁沟特征,磨损机理为氧化轻微磨损和磨粒磨损;在250N,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;与W6Mo5Cr4V2对摩时,磨损表面呈现犁沟特征,磨损机理为磨粒磨损;在600℃,TC11合金的磨损率均较低,且与两种不同硬度GCr15对摩后的磨损率均低于与W6Mo5Cr4V2对摩的磨损率,磨损机理均为氧化轻微磨损。在25和600℃,磨盘材料对合金的磨损率具有不同的影响,但不影响合金的磨损机理;在400℃,磨盘材料既影响磨损率也影响磨损机理。

缺陷对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究
王玉娟, 李志翔, 毕可东, 杨决宽, 陈云飞
2016, 36(5):599-605. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.010
[摘要](497) [PDF 13568KB](690)
摘要:
采用分子动力学方法模拟硅探针在空位缺陷和Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯上的滑移过程,研究空位缺陷和SW缺陷对石墨烯摩擦力的影响。研究结果表明:两种缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯,空位缺陷使石墨烯界面势垒增大导致能量耗散增加,摩擦力增大;SW缺陷使石墨烯表面形成凸起,阻碍探针滑移,摩擦力增大。空位缺陷石墨烯平均摩擦力随缺陷浓度的增加而增加,Y向空位缺陷石墨烯平均摩擦力大于X向,这都是由空位陷处能量势垒和缺陷与探针切向作用距离共同决定的。SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于SW1型,X向SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于Y向SW2型,因为存在相邻五边形碳原子环结构的石墨烯表面更容易产生凸起,摩擦力较大。以上研究结果完善了缺陷石墨烯的摩擦机制,对设计和开发石墨烯微纳器件提够了理论依据和指导。

稀土Ce对HMn64-8-5-1.5黄铜组织和磨损性能的影响
王子文, 陈少华, 李艳锋, 黄国杰, 解浩峰, 彭丽军, 米绪军
2016, 36(5):606-613. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.011
[摘要](401) [PDF 57092KB](3)
摘要:
研究了稀土Ce元素对HMn64-8-5-1.5黄铜的组织和室温力学性能以及摩擦学性能的影响。结果表明:添加少量Ce对锰黄铜的物相构成影响较小,因此合金的力学性能变化范围较小。随着合金中Ce质量分数的增加,锰黄铜基体β相和硬质相的晶粒尺寸逐渐减小,而且硬质相的分布更加均匀弥散,材料的组织结构得到改善,从而提高材料的耐磨损性能。添加质量分数0.25%的Ce,材料的磨损速率减少约19%。在相同工况的干摩擦条件下,随着Ce质量分数的增加,HMn64-8-5-1.5黄铜的主要磨损形式逐步从较严重的疲劳剥层磨损和黏着磨损过渡为轻微的黏着磨损和氧化磨损。

30CrMnSiNi2A钢干滑动摩擦磨损特性研究
薛进进, 孙琨, 方亮, 王云鹏, 李梅
2016, 36(5):614-621. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.012
[摘要](482) [PDF 24482KB](540)
摘要:
利用销盘高速干滑动摩擦磨损试验机,对30CrMnSiNi2A低合金超高强度钢的摩擦磨损性能进行了研究,应用JSM-6390A型扫描电子显微镜和X-衍射方法对摩擦磨损表面进行观察,表征其摩擦表面的微观形貌、摩擦磨损产生的磨屑以及由于摩擦产热而引起的氧化物,进而推断出磨损机制。结果表明:摩擦系数随速度和载荷的增大而减少,其速度是影响摩擦系数的主要因素;在摩擦初期当摩擦系数快速下降时,摩擦表面温度急剧增加,当达到一定数值后二者都形成一个动态的平衡;随着速度和载荷增大,磨损机理主要由氧化磨损转变为剥落、塑性变形、犁沟以及黏着磨损,且磨损表层的氧化物由FeO转变为Fe3O4和Fe2O3,当出现Fe2O3氧化物时,磨损率急剧升高。

动车组车轮轮缘塑性变形白层组织分析
杨姗洁, 任瑞铭, 陈春焕, 潘睿, 赵秀娟
2016, 36(5):622-628. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.013
[摘要](476) [PDF 28668KB](476)
摘要:
本文作者对动车组ER8C车轮轮缘白层的微观组织进行了观察,重点对由于剧烈塑性变形而形成的白层进行了分析和探讨。在光镜下可以观察到白层厚为3~18μm,分布不连续。在扫描电镜下,塑性变形白层主要有两种类型:一种为经塑性变形作用而细化的组织和经动态再结晶作用得到的铁素体纳米晶,后者具有纳米量级的铁素体晶粒。白层内的碳化物数量与塑性变形程度及运行过程中的温升有关,越接近表层未溶碳化物越少、晶粒越小。白层形成机制主要分为两种:一种为反复塑性变形作用的机制,导致铁素体破碎细化同时伴随碳化物碎化溶解;另一种为变形与一定温升综合作用的机制,表层发生动态再结晶而形成超细晶粒组织并伴随碳化物溶解,后者在超细晶粒形成中起主导作用。

CdS纳米粒子的合成及其对PTFE基粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响
张定军, 甘明洋, 贾玉龙, 万宏启, 陈磊, 周惠娣, 陈建敏
2016, 36(5):629-635. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.014
[摘要](528) [PDF 17481KB](522)
摘要:
采用液相沉淀法制备了N,N-二辛基二硫代氨基甲酸修饰的CdS纳米粒子,利用FTIR、XRD和SEM对其形貌与结构进行了表征,并利用MHK-500A环-块摩擦磨损试验机研究了CdS纳米粒子含量和不同润滑条件对聚四氟乙烯基粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响。结果表明:所合成的CdS纳米粒子大小均匀,粒径为20~30nm;且CdS纳米粒子能够改善涂层的摩擦学性能,当CdS纳米粒子的添加质量分数为5%时,涂层的摩擦学性能最佳,摩擦系数和耐磨寿命分别为0.256和490m/μm;与干摩擦相比,RP-3航空煤油润滑下涂层具有较低的摩擦系数和较长的耐磨寿命,且航空煤油有益于涂层承载能力的提高,使涂层在1000N的载荷下仍具有较好的摩擦学性能.

K4169合金在人工海水中的腐蚀磨损图
张丽敏, 董沫辰, 吕晋军
2016, 36(5):636-642. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.015
[摘要](495) [PDF 20029KB](612)
摘要:
采用恒电位测试方法研究了当载荷范围为5~20N、电位范围为–0.6~0.3V时镍基合金K4169/氧化铝陶瓷球摩擦副在人工海水中的腐蚀磨损行为,并根据试验数据获得了K4169合金的腐蚀磨损图(总损失图、磨损机理图和交互作用图)。结果表明:K4169合金在室温下的人工海水中有良好的耐腐蚀性能,腐蚀速率为0.0042mm/a;磨损量Wc为总损失量T值的87.1%~96.8%,表明腐蚀磨损中K4169合金的损失以机械磨损为主,腐蚀损失量Cw很小。以ΔCwWc为判据可知:协同作用、加和作用和对抗作用均存在于K4169合金在人工海水的腐蚀磨损中。

斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究
赵国平, 董辉立, 王春明, 李立毅
2016, 36(5):643-649. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.016
[摘要](519) [PDF 2448KB](686)
摘要:
文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估。计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化。

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性
周先辉, 孙友松, 王万顺
2016, 36(5):650-658. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.017
[摘要](528) [PDF 44768KB](561)
摘要:
采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析。结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数。PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征。摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大。混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.

重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势
谭桂斌, 范清, 谭锋, 王德国, 张嗣伟
2016, 36(5):659-666. doi: 10.16078/j.tribology.2016.05.018
[摘要](516) [PDF 7654KB](677)
摘要:
阐述了橡塑密封系统摩擦学在“工业强基”战略以及智能制造装备(中国制造2025)的主要挑战。综述了目前橡塑密封的弹性体磨损、润滑、摩擦、界面失稳研究现状,概述了橡胶摩擦学在磨损润滑、摩擦接触研究的主要难题(包括基础理论、计算方法、仪器研制等),分析了我国与世界高端橡塑密封工业先进发达国家的差距,并就未来橡塑密封理论、技术、应用领域的重点提出了若干建议,为我国基础件研究和生产制造、工业摩擦学界提出了建议.

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