（机械设计及理论专业论文）高温自润滑发汗体胞热驱模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文在制备出汗腺微孔金属陶瓷骨架基体的基础上，采用真空熔浸工艺制备 出了汗腺式高温自润滑材料。建立了该材料的自润滑发汗包覆体胞单元模型，基 于该模型研究了汗腺式高温自润滑材料润滑相的热驱机理。并对该高温子润滑材 料的摩擦磨损特性及润滑膜应力进行了研究。主要内容有： 1 ) 采用真空熔浸工艺，以汗腺微孔金属陶瓷为基体，以软金属固体润滑剂a g 、 p b 、s n 等为添加剂，制各汗腺式高温自润滑材料，并对其微观结构进行了实 验分析。分析了熔浸机理和熔浸过程，并针对熔浸过程中出现的问题，提出 了相应的解决方案。 2 ) 根据汗腺式高温自润滑材料的微观结构特征，建立了自润滑材料的发汗包覆 体胞单元模型，并基于所建立的体胞单元模型，对摩擦热一应力耦合场中发汗 包覆体胞单元的自润滑机理进行了数值模拟研究，分析了摩擦系数、包覆体 材料弹性模量及孑l 隙度等参数对体胞单元包覆核材料驱动作用的影响。 3 ) 系统研究了汗腺式高温自润滑材料的摩擦磨损特性。研究结果表明：采用熔 浸工艺向多孔骨架基体中加入软金属固体润滑剂极大的改善了材料的摩擦 特性；汗腺式高温自润滑材料的摩擦磨损特性与配对副、工作环境温度、及 工作载荷有关。 4 ) 在对高温自润滑材料发汗包覆体胞研究的基础上，分析了自润滑膜的形成及 转移机理。并通过理论分析与有限元计算研究了基体与润滑膜热膨胀系数和 温度的差异、外加载荷、摩擦副相对滑动速度以及摩擦系数等因素对润滑膜 内部应力的影响。同时还对润滑膜的不同转移情况与润滑膜破坏之间的关系 进行了分析。 关键字： 熔浸 摩擦磨损 自润滑 包覆体胞 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h et h e s i s ，an e wc o v e r e dm o d e li sd e v e l o p e df o ra n a l y z i n gs e l f - l u b r i c a t i n g m e c h a n i s mo fs w e a t 百a n ds e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e sa th i g ht e m p e r a t u r eb a s e do n t h em i c r o - s t r u c t u r eo ft h e m a t e r i a l t r i b o l o g i c a lb e h a v i o r s a n ds e l f - l u b r i c a t i n g m e c h a n i s m sa r ea l s os t u d i e d t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 n e ws w e a tg l a n ds e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e sa r ep r o d u c e db yp r e s s u r e l e s s i n f i l t r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hm i c r o p o r e sc e r a m i ca sm a t r i xa n ds o f tm e t a l l u b r i c a n t sa s a d d i t i v e s t h em i c r o s t m c t t i r eo ft h en e wm a t e r i a li ss t u d i e d s e v e r a lm e t h o d sa r e a d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e m sa p p e a r e di nt h ep r o c e s so fi n f i l t r a t i o n 2 an e wc o v e r e dm o d e li sp r e s e n t e df o ra n a l y z i n gs e l f _ l u b r i c a t i gm e c h a n i s mo f s w e a tg l a n ds e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e s i nt h em o d e l ，t h ef r i c t i o n a lh e a ta n dt h e t h e r m a ls t r e s sc o u p l e df i e l da r es i m u l a t e db yan u m e r i c a lm e t h o d t h ee f f e c t so f f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n do u tl a y e rm a t e d a lp r o p e r t i e so i lt h ed i f f u s i o no fl u b r i c a t i n g e l e m e n t sa r ei n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r 3 n et r i b o l o g i c a lb e h a v i o r so fs w e a t 甜a n ds e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e sa r e s t u d i e di nd e t a i l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec o m p o s i t e si s g r e a t l yd e c r e a s e db yi n f i l t r a t i n gs o f tm e t a ll u b r i c a n t si n t om i c r o - p o r e sm a t r i x t h e f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sa r ea f f e c t e db yt e m p e r a t u r e ，c o u p l e d m a t e r i a la n dl o a d s 4 am o d e lo ff o r m i n gs o l i dl u b r i c a t i n gf i l mi se s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h e f o r m i n gp r o c e s so fs e l f - 1 u b r i c a f i n gf i l m e l e m e n t so fs o l i dl u b r i c a t i n gf i l ma r e a n a l y z e db ve d sa n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r ea r em a n ys o f tm e t a le l e m e n t si n t h es o l i dl u b r i c a t i n gf i l i n t h es t r e s si ns o l i dl u b r i c a t i n gf i l mi sa n a l y z e di nt h e o r ya n d c a l c u l a t e dw i t hf e m k e yw o r d s ：p r e s s u r e l e s si n f i l t r a t i o n f r i c t i o na n dw e a l b e h a v i o rs e l f - l u b r i c t i o n c o v e r e dm o d e l i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高温金属基固体自润滑材料发展及研究现状 任何机器和机构的运转都依赖其构件在约束条件下的相对运动来实现，它们 能确保与运输、起重、材料加工、滑动密封等有关的工作任务的完成。而相互作 用的表面之间，在相对运动时必然会产生摩擦与磨损。由于机器和机构工作参数 的不断提高，在大多数情况下，摩擦部件中工作的材料的报废，要比机器的其它 部分快得多。有人估计：世界上目前消耗的能源约有三分之一到二分之一表现为 各种形式的摩擦损失。因此，如何控制相对运动、相对作用零件间的摩擦和磨损 损失，是现代机械制造业的重要任务，引起了世界各国科学工作者的兴趣。 润滑是减少摩擦降低磨损的最为有效的措施。随着科学技术的高速发展，宇 航、电子、机械制造、交通运输和能源等工业部门对材料的耐磨性、一耐腐蚀性、 抗疲劳和高温性能等提出了越来越苛刻的要求。 二十世纪五十年代至七十年代，摩擦学家对满足高温、高速和商负荷的固体 润滑剂进行了研究，其中以mbp e t e r s o n 的工作最具代表性。从热稳定性和流变 学等角度入手，p e t e r s o n 1 1 研究了数十种包括硫化物、氟化物、氧化物、无机盐和 软金属的摩擦学性能，他的研究结果对后来的研究产生了重要影响，其中p b o 和 c a f 2 等是至二十世纪八十年代末自润滑无机复合材料的首选固体润滑剂【z - 3 】。 s l i n e y 4 】采用c a f 2 与银作为润滑剂实现了从室温到9 0 0 。c 范围内和多种气氛条件 下的润滑；欧阳锦林等 s l 采用银与石墨作为固体润滑剂解决了在1 0 0 0 * c 下的摩擦 部件的润滑问题。尽管以上述固体润滑剂为基础的自润滑无机复合材料在应用方 面取得了成功，但随应用要求的提高，其性能方面的限制日益突出。首先，固体 润滑剂对复合材料力学性能的影响使得强度得不到满足；其次，固体润滑剂不能 实现在更高温度、速度和负荷的润滑性；最后，转移膜润滑不能满足当前对高耐 磨性和长寿命的要求。鉴于上述原因，德国d a m t 6 】提出了氧化润滑的新概念，其 基础依赖于z a b i s 虹【7 】和g a r d o s 【8 l 对非计量比氧化物的研究工作。p e t e r s o n 与李 诗卓对自生氧化膜的高温摩擦学研究强调了低熔点双氧化物( 非主要合金化元素 r e 和c h ) 的高温润滑作用 9 , 1 0 l l j ，考察了n i c u - r e 等铸造合金的自生氧化物膜 的摩擦学特性，发现通过合金成分的调整和优化，可利用表面的自生氧化物膜实 现摩擦学性能的优化。e d e m i r i l 2 l 根据文献数据并引入离子势和离子势差用以解释 和预测氧化物体系的润滑性，发现离子势和离子势差与润滑性之间有较强的对应 关系。 武汉理工大学硕士学位论文 在高温自润滑材料的自润滑机理研究方面，目前较多的研究集中在对自润滑 材料的润滑组分的研究上。王静波等【1 3 】考察了n i w c - p b o 系自润滑金属陶瓷的 高温摩擦学特性，发现摩擦化学产物p b w 0 4 是该类材料具有优异摩擦学特性的主 要原因。直接加入p b w 0 4 时材料的摩擦学性能较好，但其机械性能略差。对 n i - s i c - p b o 系自润滑金属陶瓷的研究发现，硅酸铅具有较好的润滑性。刘近朱等 4 j 在镍基合金中添加s e 制各自润滑合金，并认为s e 与n b 的化合物使得合金具 有润滑性。高温自润滑材料摩擦系数的降低以润滑剂成分在摩擦表面的富集为前 提，对于润滑剂成分在摩擦过程中向摩擦表面的迁移机理目前研究还处于初步阶 段。丁华东【1 5 】等研究了含油量低、中、高三种铜石墨自润滑材料的滑动摩擦过程， 确定自润滑材料滑动摩擦自润滑机理为：在法向载荷和摩擦热的作用下，由于油 的流动性、孔隙的可压缩性和油受热膨胀等特性，使材料内部贮油被迫流向摩擦 表面起润滑作用；摩擦热、出油量摩擦系数三者之间具有自反馈调节作用，使稳 态工作时保持低且稳定的摩擦系数。通过分析功能摩擦材料接触区孔隙率的变化 认为油的溢出量与接触压力与工作温度有关【1 6 】。n a l e x e y e v 1 。7 】研究了在滑动摩擦 条件下含有软质润滑相的自润滑材料的塑性变形过程。研究表明：自润滑材料基 体、润滑相颗粒及颗粒的大小和形状均会影响润滑相的变形和流动，通过优化自 润滑材料的微观结构可以获得较好的摩擦学性能。对于新型的汗腺式高温自润滑 材料，内部孔隙是连通的，其自润滑机理还有待进一步研究。 1 2 高温自润滑材料 1 2 1 高温自润滑材料的分类 高温自润滑材料可分为金属基自润滑复合材料、自润滑合金和白润滑陶瓷等 3 大类。其制备方法通常为粉末冶金法和等离子喷涂法。此外，表面技术和铸造 法也被应用于高温自润滑复合材料的制备。 1 金属基自润滑复合材料 金属基自润滑复合材料是以具有高强度的耐热合金作为基体，以固体润滑剂 作为分散相，通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。其中合金基体 起支撑负荷和粘结作用，固体润滑剂起减摩作用。常用的合金基体为耐热合金， 如镍基高温合金、钴基高温合金及n i - c r 基合金等1 4 ，5 】，一些难熔金属如w 、m o 、 n b 及t a 等，作为基体材料在真空中的使用效果较好【1 b 】。对金属基高温自润滑复 合材料的研究侧重于基体合金化、多组元化和弥散强化。 2 自润滑合金 自润滑合金的摩擦学设计思想立足于对合金组元进行调整和优化，使合金在 2 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦过程中产生的氧化物膜具有减摩特性。p e t e r s o n 等对合金自生氧化物膜的高 温摩擦学特性进行了系统研究，并在q u i n n l l 9 l 研究的基础上，提出氧化物膜产生 有效润滑的条件是：( 1 ) 氧化物膜的厚度在0 0 5 l 1 tm 之间；( 2 ) 氧化物膜软且有 延性：( 3 ) 磨损速率小于氧化速率；( 4 ) 因磨损失效而非疲劳或断裂失效；( 5 ) 慢氧 化一慢磨损型；( 6 ) 非磨粒性；( 7 ) 氧化物的摩尔体积比金属的小；( 8 ) 热膨胀系数匹 配；( 9 ) 氧化物由双扩散形成；( 1 0 ) 在金属，氧化物界面存在滑移；( 1 1 ) 形成低熔点 玻璃态氧化物。利用合金对陶瓷偶件进行润滑也可得较好的结果，钴合金和镍合 金高温下表面的氧化物膜有一定的润滑效果【加】。阚存一等1 2 1 】在n i d 合金中添加 活性元素s ，其与合金元素反应生成不定比化合物并促进了合金元素的氧化，进 而改善合金的摩擦学性能。王莹等【2 2 1 利用粉末冶金法对铸造n i c r - s 系合金进行 了改进。结果发现，粉末冶金法制备的合金消除了铸造法的宏观缺陷，降低了偏 析，从而得到了高强度的合金。同时，s 与合金化元素反应生成了多种硫化物， 在润滑机理方面与铸造合金不尽相同。 3 自润滑陶瓷 自润滑陶瓷包括金属陶瓷和陶瓷两大类：前者的摩擦学设计思想在于利用金 属或合金为粘结相、陶瓷为耐磨相、润滑剂为润滑相实现强度、韧性和润滑性的 统一。因此，借鉴结构金属陶瓷的配方，对润滑相进行复配是目前的主要研究方 向。金属与陶瓷的浸润是保证材料强度的前提。陶瓷相的选择应兼顾其硬度与耐 氧化性的统一。s l i n e y 等 2 3 2 5 】选择了c r 3 c 2 为陶瓷相，以n i 为粘结相，c a f 2 和 b a f 2 的共熔物与银为润滑剂制备了性能优异的高温自润滑金属陶瓷涂层p s 2 0 0 ， 其在还原性气氛下的摩擦学性能更优。对上述配方进行调整可制得p s 2 1 2 涂层。 p s 系列涂层的研制对解决斯特林发动机等的高温澜滑问题有重要意义l 驯。n a s a 以相对较软的c r 2 0 3 替代c r a c 2 ，获得了较好的结划”2 ”。 1 2 2 高温自润滑材料的组成 高温自润滑材料一般由材料基体和固体润滑剂组成。 1 高温自润滑材料的基体 高温自润滑材料的物理、机械和化学等性能主要由摹体来体现。按照材料摩 擦学性能的要求，基体主要起承受负荷的作用。同时，基体应当具有与固体润滑 剂等的良好浸润性。基体所反映的物理机械性能有密度、抗压强度、抗拉强度、 抗弯强度和冲击韧性等。基体的化学性能主要指它对其他物质的亲和性和腐蚀 性，以及它对环境介质的适应性( 如抗氧化性和抗腐蚀性等) ，从制备工艺来要求， 基材应该具有可加工性，如可塑性、可焊性和可粘合性等。 在制造高温自润滑材料的过程中，经常采用的基体有：铁基、铜基、铝基、 钛基、镍基、钴基、银基、难容金属基、碳基和化合物基等。纯金属的减摩性能 3 武汉理工大学硕士学位论文 低，要制造具有规定性能的材料，就需要向金属基体中j j w g 对减摩性能有好的影 响的物质。 在重和极重的工作条件下，在以很大的摩擦速度和载荷工作时，孔隙的存在 对材料的承载能力有不良影响。要提高承载能力，必须通过合金化提高材料基体 的强度或提高材料的密度。对于强化基体，有些情况下，也通过熟处理和化学热 处理来强化材料。 2 固体润滑剂 润滑剂一般分为液体润滑剂和固体润滑荆。在高温下，现有液体润滑剂由于 随温度升高，其粘性呈指数下降，结果造成微凸体直接接触；同时高温下这些润 滑剂由于化学缺陷和氧化，从而在表面形成不可预料的沉积层。造成其润滑性能 的降低。相对液态润滑剂而言，固态润滑剂具有承载极限高、高温下化学稳定性 好、物性变化小等特点。在特殊服役条件下具有良好的润滑性能。将固态润滑剂 引入陶瓷材料中制备成陶瓷复合材料，利用固态润滑组元易拖敷、摩擦系数低的 特点，在摩擦表面形成连续的固态润滑层，从而赋予陶瓷复合材料以自润滑特性， 用以改善陶瓷摩擦副摩擦学特性。 固体润滑剂的种类较多，润滑机理也较复杂。从大类上公，可以分为软金属 类、金属化合物类、无机物类和有机物类等【2 9 1 。 软金属类 许多软金属，如p b ，s n ，i n ，z n ，b a ，a g ，a u 等，在压力加 工、辐照、真空和高温等条件下，具有良好的润滑效果。 金属化合物类可以作固体润滑剂的金属化合物较多，如金属的氧化物、 卤化物、硒化物、硫化物、磷酸盐、硫酸盐和有机酸盐等。金属氧化物如p b o ， p b 3 0 4 ，f e 3 0 4 等，金属卤化物如c a f 2 ，b a f 2 ，c d c l 2 ，c o c l 2 ，c r c l 2 ，n i c l 2 ，c u b r 2 ， c a b 等，金属硒化物如w s e 2 ，m o s e 2 ，n b s e 等，金属硫化物如m o s 2 等，金属磷 酸盐如z n 3 ( p 0 4 ) 2 等，金属硫酸盐如a g z s 0 4 、l i 2 s 0 4 等，有机酸盐如各种金属的 脂肪酸皂等。 无机物类如石墨、氟化石墨、玻璃等。而像滑石和云母等虽然润滑性能差， 但电绝缘性能好，在许多特殊工况条件下可作润滑剂使用。又如b n 等也是性能 优良的固体润滑剂。 a u ，a g ，p b 等软金属固体润滑剂剪切强度低。在发生摩擦时，软金属会在 对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在转移膜与软金属本身之间，从而降低摩 擦系数，减少磨损。软金属的纯度越高，其剪切强度越低，越容易在软金属内部 产生滑移，因而它具有自行修补性。软金属具有与高粘流体相似的润滑行为，主 要表现在：一旦润滑膜出现破裂部位，它能通过外加载荷的作用进行自行修补， 从而恢复润滑性能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 石墨、m o s 2 是目前广泛使用的固体润滑材料，石墨在大气下5 4 0 。c 可短期使 用，在4 2 6 可长期使用，而m o s 2 在大气压下3 9 9 可短期使用，在3 4 9 。c 可长 期使用，在高温真空条件下，m o s 2 表现出优异的润滑性能。石墨在干燥气氛中或 在真空中会逐渐丧失润滑能力，而在成份中加入m o s 2 可以使材料在4 0 0 。c 以上的 真空或干燥气体中工作。 复合材料中加入硫或硫化物时，材料的性能将取决于其与基体相互作用的性 质和程度。在烧结加热时，将会伴随着硫化物的全部或部分分解，结果是硫和基 体的金属骨架相互作用，因此防止硫化物性能变化将会大大改善材料的最终性 能。w a n g 3 0 l 等用热压烧结方法，制备出m o s 2 ，含量达8 0 的n i m o s 2 自润滑复 合材料，并考察了高温摩擦学特性。研究发现，一些硫化物可以提高m o s 2 在余 属底材上的成膜能力和抑制m o s 2 的氧化过程。 金属硒化物和碲化物的性能与硫化物相似，在真空中摩擦系数比在气体介质 中低，它们的热稳定性，根据成份不同可达4 0 0 t 2 1 3 5 0 。c 。氮化硼( b n ) 具有分 层结构的六方晶系，与石墨及m o s 2 类似，但其与石墨及m o s 2 相比，具有极好的 热稳定性，在9 0 0 * ( 2 左右性能仍然稳定，表现出良好的润滑性能。 金属氟化物作为高温固体润滑剂，引起人们的兴趣。氟化物具有高的化学和 热稳定性，在加到复合材料中仍保持着自己的原始性能。研究表明1 3 ”，c a f 2 和 b a f 2 在5 0 0 。c 开始具有润滑特性，在高温下它们具有相当高的抗氧化能力，可以 使用至9 0 0 。c 仍不发生氧化失效。含氟化物( c a f 2 或b a f 2 ) 的材料，可以保证在无 润滑、重载、高温( 5 0 0 ) 下工作。 金属氧化物固体润滑剂，在高温领域中占有非常重要的位。p e t e r s o n 曾研究 了4 0 多种氧化物及其润滑性。其中p b o 是润滑性能最好的一种润滑剂，p b o 在 常温下的摩擦系数较大，但随温度上升而减小，4 0 0 0 c 以上显示比m o s 2 好的润滑 性。p b o 从3 7 0 到4 8 0 。c 氧化成p b 3 0 4 ，使摩擦系数提高，但到4 8 0 。c 以上又变 回到p b o ，因而p b o 连续显示良好润滑性能的温度范围是4 8 0 8 5 0 c 。研究发现， z n o 的有效工作温度可达1 0 0 0 ( 2 ，c u o 的使用温度达5 4 0 c 。含有金属氧化物0 口 n i ，s n ，c i l ，p b ，z n 等的氧化物1 添加剂制造的高温滑动轴承，具有高的耐磨性 和润滑能力。 1 2 3 高温自润滑材料的制备 高温自润滑材料的制备方法较多，按照所用金属的相态不同可以将金属基自 润滑复合材料的制造方法分为液相制造、固相制造和液固相混合制造3 种a 典型的固相制造是粉末冶金法，首先把基体粉末和润滑相粉末混合，然后进 行球磨，之后在不同的工艺条件下，干燥并烧结混合粉末。粉末冶金法有三个步 武汉理工大学硕士学位论文 骤：粉末混合、压实和烧结。这三个步骤对最终制备的自润滑材料微观组织和力 学性能都有直接的影响。中南大学的杨慧敏f 3 2 l 在研究中采用铝作为基体材料，添 加铜、铬等元素作为强化成分，分别添加铅、石墨、二硫化钼或其混合物作为固 体润滑剂，通过常规的粉末冶金方法成功地制备出了粉末冶金铝基固体自润滑复 合材料。 常采用的液相制造方法有铸造法。铸造方法包括搅拌铸造法、挤压铸造法， 搅拌铸造法是将润滑相加入到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液相和固 相混合均匀，然后浇入到铸型中。这种方法的关键环节是将润滑相均匀分布于基 体中，并且使基体和润滑相之间有良好的界面结合。挤压铸造法首先是将增强体 作成预制块，放入模具，再浇入合金熔液，随后加压，使合金熔液渗入预制块成 锭。黄来铀等【3 3 】采用铸造方法在铝锌系合金中加入自润滑石墨颗粒，制成了铝基轴 承复合材料。试验证明，该材料的抗拉强度和硬度优于锡青铜z q s n 6 6 3 ，而摩擦系 数和磨损量则低于z q s n 6 6 3 。尧建刚等【3 4 1 采用挤压铸造法制备了硅酸铝短纤维 ( a 1 2 0 3 一s i 0 2 f ) 和石墨颗粒( g r p ) 混杂增强z l l 0 9 铝合金复合材料，并研究了石墨 颗粒含量对该混杂复合材料摩擦磨损性能的影响。熔体浸渗法也属于液相帝造方 法，1 9 8 6 年，美国的l a n x i d e 公司在采用直接金属氧化法制备a 1 2 0 3 a i 复合材 料的工艺基础上首次提出了合金熔体自浸渗法即熔浸法。熔浸法基本的工艺过程 就是将金属或合金熔体在一定的温度和气氛条件下自发渗入具有一定形状的预 制块体中。 介于二者之间的有真空喷涂法( v a c u u mp 1 a t ) 等。目前工业上使用较多的仍然 是粉末冶金方法。 减摩材料要求在具有一定的高温润滑性能的同时，还应具有一定的硬度和强 度。而在制备高温自润滑材料时，通常采用混元法将固体润滑剂加入基体粉末， 一起混合烧结制成自润滑材料。制备时由于引入了固体润滑剂，往往会导致整体 材料性能的下降。所以高温自润滑复合材料必须在强度和润滑性能之间加以妥 协。此时，往往采用调整成分配比来获得合适的整体性能。而由于烧结后空隙的 存在，各成分之间相互影响，往往难以达到理想的效果。同时，自润滑材料中的 润滑相分散在基体中，彼此互不连通，进一步影响了材料自润滑性能的提高。 本文研究的汗腺式高温自润滑材料制备时先烧结强度足够具有相互连通微 孔骨架材料，然后再采用熔浸或其它工艺方法把固体润滑剂加入到基体中，从而 实现了将材料的基体性能与润滑剂分开处理。 6 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 复合材料的细观力学研究方法 细观力学是一门通过研究材料在细观尺度上的结构、组成、分布等材料的 构成来分析材料的物理、力学等材料性质的方法。有限元法与细观力学及材料科 学相结合产生了计算细观力学。主要研究组分材料间力的相互作用和定量描述细 观结构与材料性能之间的关系。计算细观力学在求解复合材料细观力学问题中的 应用正是在七十年代随着细观力学的起飞而发展起来的。然而，该领域发展的高 峰却是随着计算材料科学的兴起才出现。可以说计算细观力学与计算材料科学二 者一之间互为促进共同发展。促成这一现象的因素主要如下： ( 1 ) 细观力学理论分析的方法至今仍然局限于解决简单复合材料的有效( 等 效) 刚度混合效应问题，尚不能解决大量的复杂问题； ( 2 ) 复合材料的细观结构信息不可能在实验中以系统的方法获得； ( 3 ) 超级计算机的发展和有限元计算软件的商业化，基本上克服了细观计算 力学的最大缺点：输入数据工作量大和花费比较长的机时； ( 4 ) 最重要的还在于细观计算力学方法能够描述复合材料的细观结构对宏 观响应的影响的关系，使得特别设计的细观结构对荷载是如何响应和如何失效的 问题可以进行数值模拟。 在计算细观力学中，大多数数值解是应用了复合材料中增强相周期分布的 材料模型。一般单胞的选取应该满足下面这两个特点： ( 1 ) 相对于细观分析的合适尺度，及基体中的增强相尺寸和增强相间的平 均间距要大于细观结构的特征尺寸； ( 2 ) 能够反应细观结构的几何形状、分布和界面条件。 一般说来，细观计算力学应根据不同的复合材料的细观结构，设计出不同的 计算体元，而这些材料模型所包括的细观结构参量大致有如下几点： ( 1 ) 增强相一基体的分布； ( 2 ) 增强相的形状； ( 3 ) 增强相的不同取向； ( 4 ) 界面条件； ( 5 ) 组分材料的特性：增强相和基体的刚性、弹性、粘性、塑性等； ( 6 ) 增强相的尺寸； ( 7 ) 增强相的含量( 如体分比等) ： ( 8 ) 为了分析上述增强相的几何因素对材料性能的影响，对三维问题分别 引入了颗粒长径比和体元比。 细观计算力学方法常用来研究纤维或颗粒增强复合材料及三维编织复合材 7 武汉理工大学硕士学位论文 料的力学性能。在研究纤维增强复合材料时，体胞模型代表个被基体包围的圆 形纤维，可以模拟那种严格周期性分布且大小相等的纤维增强复合材料的力学性 质。这种方法在分析夹杂的排列、体积分数及形状对整个复合材料的影响方面非 常有效。 1 4 本课题的研究内容及意义 随着科学技术的发展，在高温下工作的减摩材料提出了更高的要求，从而使 得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视，促进了相应的高温 自润滑材料的研制与发展。 高温自润滑材料的摩擦学性能与其本身的微观结构密切相关。通过优化自润 滑材料的微观结构可以使材料的自润滑性能得到较大提高。因此，对高温自润滑 材料的微观结构展开研究具有重要意义。自润滑复合材料力学性能受其制备工艺 的影响较大，例如润滑相的种类或体积百分比发生变化或采用不同基体材料时， 自润滑材料的力学性能都会改变。细观力学方法在这方面具有较大优势。 本文通过对汗腺式高温自润滑材料的肯4 备工艺、微观结构等的系统分柝，建 立了该材料的发汗包覆体胞热驱模型，并研究了该高温自润滑材料的摩擦磨损特 性及润滑膜的形成及膜内应力。主要研究内容如下： ( 1 ) 采用真空熔浸工艺，以汗腺微孔金属陶瓷为基体，以软金属固体润滑剂 a g 、p b 、s n 等为添加剂，制备汗腺式高温自润滑材料，并对其组织进行了分析。 分析了熔浸机理和熔浸过程，针对熔浸过程中出现的问题，提出了相应的解决方 案。 ( 2 ) 根据汗腺式高温自润滑材料的微观结构特征，建立了自润滑材料的包覆 体胞单元模型。并基于所建立的体胞单元模型，对摩擦热应力耦合场中发汗包覆 体胞单元的自润滑机理进行了数值模拟研究，分析了摩擦系数、包覆体材料弹性 模量及孔隙度等参数对体胞单元包覆核材料驱动作用的影响。 ( 3 ) 通过摩擦学试验，系统研究了汗腺式高温自润滑材料的擦磨损特性。研 究结果表明：采用熔浸工艺向多孔骨架基体中加入软金属固体润滑剂极大的改善 了材料的摩擦特性；汗腺式高温自润滑材料的摩擦磨损特性与配对副、工作环境 温度、及工作载荷有关。 ( 4 ) 在对高温自润滑材料发汗包覆体胞研究的基础上，分析了自润滑膜的形 成及转移机理。并通过理论分析与有限元计算研究了基体与润滑膜热膨胀系数和 温度的差异、外加载荷、摩擦副相对滑动速度以及摩擦系数等因素对润滑膜内部 应力的影响。同时还对润滑膜的不同转移情况与润滑膜破坏之间的关系进行了分 8 武汉理工大学硕士学位论文 析。 1 5 课题的来源 本课题由国家自然科学基金资助项目( 编号：5 0 2 7 5 1 1 0 ) ，即“高温腺汗式 扩散自润滑技术及其机理研究”项目支撑。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章汗腺式高温润滑材料的制备 高温自润滑材料的微观结构与材料的制备工艺密切相关。本章研究汗腺式 高温自润滑材料的熔浸制各过程。并对其微观结构、熔浸过程动力学机制及熔浸 机理进行分析。 2 1 浸渗过程静力学动力学分析 液态软金属固体润滑剂自发渗入多孔骨架基体中的动力主要是基于毛细管 力而不是原子的扩散作用。 图2 1 熔浸装置示意图 浸渗装置如图2 - 1 所示。假定软金属熔液在基体中的浸渗流动为层流，浸 渗流动所受到的力包括：大气压力p ，毛细管力咒，液体静压力只( 只一p g h ) ， 基体中气体反压力曰，粘滞阻力引起的附加压力己， 其中前项为浸渗的动力， 后两项为浸渗的阻力。则总压力为： x p t p + 最+ 最一弓一昱 ( 2 1 ) 忽略相对小的静压力只，可得作用在浸渗软金属液上的合力f f 一【p + 晶一弓一昱 爿 ( 2 2 ) 式中：匕一颗粒体积分数 a 一受力面积 熔体在预制体中的浸渗遵循动量守恒定律 f ；业盟 ( 2 3 ) 出 式中：m 一浸渗进入预制体的合金液质量，肘；p h a p 一熔体密度： 武汉理工大学硕士学位论文 日一渗层深度； v 一预制体中合金液的表面流速，v d h d t ； t 一浸渗时间。 将m 与v 代入式( 2 3 ) 得 f = 丢陋盟d t1 4 ( 2 _ 4 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 - 4 ) 可得 磊dd 矿h ) 半号 ( 2 1 5 ) 根据p o i s e u l l e 定律【3 5 1 芝一警诳 ( 2 6 ) r 式中为动力粘度系数，为毛细半径。 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 得 磊d h d m h ) + 等- 半 协， 代入，掣，设口辈，简化后得 d tr 。d 瓦d ( h 尹d h + a 旧d h = 半( 2 - 8 ) 对式( 2 8 ) 进行积分，代入初始条件：f 。o ，日o ，d h ，o ，可以得出 h ； 2 ( p + p o - 弓) t 2 ( p + p ：o - p 1 ) t 、 1 - - e - a t 彤 ( 2 9 ) up 式( 2 9 ) 即为浸渗深度与毛细管力、浸渗时间及预制体内反压力的关系式。 由此可见，毛细管力和浸渗时间增加，均会提高合金液渗入毛细管的深度，而降 低预制体内气体反压力也会增加渗层深度。 2 2 毛细管力 由以上分析可知熔浸深度与毛细管力有关。本文分析采用多孔介质模型 以此来计算毛细管力的大小。根据l a p l a c e 方程，毛细管力为： 武汉理工大学硕士学位论文 只砜暗+ 专 ( 2 - 1 0 ) 式中：一液态金属表面张力； r ，也一分别为液体弯月面的两个主曲率半径。 对于微孔骨架基体来说，在压制烧结时颗粒分布是杂乱无序的，因此孔隙也 呈不规则形状，因此有必要求骨架基体微孔的当量孔径以。 根据多孔介质渗流物理水力半径模型理论【3 6 1 ，多孔介质渗透率r ： r ：鲻堕 ( 2 1 1 ) s 。 式中： f ( e 1 一孔隙率因子； 墨一孔隙比表面积。 当孔隙为不规则形状时，c n 取0 2 。 孔隙率因子，( ) 3 6 1 ： 3 f ( e ) 南 心。1 2 式中：s 一孔隙率。 极端复杂孔隙的等效水力半径r ： 穴鱼：一1 ( 2 1 3 ) 疏鼠 式中： 一孔隙体积； 岛一孔隙表面积。 由( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) n - i 得： r c 0 ，( s 皿2 ( 2 1 4 ) 由水力学理论，颗粒平均直径d 粒与j r 的关系闭： kt2(2-15) 式中：一与颗粒形状和孔隙率有关的因子，对于不规则孔隙 ，2 6 5 4 1 0 。4 ； d 一颗粒的平均直径。 在水力学上可将孔隙看作孔径为等效当量直径吃的毛细管 d 。= ，r ( 2 - 1 6 ) 式中，一与颗粒形状和孔隙率都有关的因子，对于规则等直径毛细管 ，一4 ，而对于不规则多孔体孔隙f 一2 0 结合( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 可得， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 小朋牛 南 1 2 d 弦m 考虑到颗粒与孔隙均为不规则形状后，式( 2 1 7 ) 可以简化为： 咖掣d ( 2 _ 1 8 ) 如果金属液体与基体的润湿角为口，式( 2 1 0 ) 中： 冗：r 2 ：生 ( 2 1 9 ) 1 2 c o s 口 毛细管力为： 只；一t 4 a u c o s 一一s s ! ；：；：! 旦 c z z 。， 旺。【上一j 口 由式伫2 0 1 可见，颗粒半径和体积分数一定时，当日c9 0 。，液相趋向于覆盖 固相，金属( 合金) 液与基体表面是润湿的，浸渗过程中毛细管力为动力，有利于 合金液的浸渗；当口，9 0 。，润滑剂合金液与基体表面不润湿，毛细管力为阻力， 不利于合金液的浸渗。 在本文中，所采用的软金属固体润滑剂的熔液与基体的接触角口t 9 0 。，由 以上论述可知，能够自发熔浸到基体内部，不需另外施加压力。 2 3 熔浸法制备高温汗腺式自润滑材料工艺流程 本文采用熔浸方法制备汗腺式高温自润滑材料工艺流程如图2 - 2 所示。 图2 2 熔浸法制备汗腺式高温自润滑材料工艺流程 具体过程为：采用粉末冶金方法制各出具有足够强度的微孔骨架基体。对 武汉理工大学硕士学位论文 骨架基体用丙酮溶液浸泡片刻，出去其表面的氧化膜和其他污垢，以提高固体润 滑剂熔体对基体的润湿，有利于熔浸过程的进行。采取合金上置法或下置法把基 体和固体润滑剂放入真空炉中加热至熔浸温度( 固体润滑剂熔点以上温度) ，保 温一段时间制成汗腺式高温自润滑材料。 2 4 熔浸过程分析 将粉末压坯与液体金属接触或浸埋在液体金属内，让坯块内孔隙为金属液 填充，冷却下来就得到致密材料或零件，这种工艺就称为熔浸或熔浸。因此在本 实验中，软金属固体润滑剂熔化后渗入基体材料中也属于熔浸的范畴。 2 4 1 熔浸法所需的条件及影响因素 熔浸过程依靠润滑剂熔液湿润多孔骨架基体，在毛细管力作用下，软金属 润滑剂熔液沿着基体孔隙流动，直到完全填充孔隙为止。因此从本质上说，它是 液相烧结的一种特殊情况。所不同的只是熔浸过程的致密化主要依靠易熔成分从 外面去填满孔隙，而不是靠压坯本身的收缩。因此，熔浸的零件，基本上不产生 收缩，烧结所需时间也短。 熔浸所必须具备的条件慰3 7 】： ( 1 ) 骨架材料与熔浸金属的熔点相差大，不致造成零件变形； ( 2 ) 熔浸金属能很好湿润骨架材料，同液体烧结一样 ( 3 ) 骨架与熔浸金属之间不互溶或溶解度不大，因为如果反应生成高熔点的 化合物或固溶体，液相将消失； ( 4 ) 熔浸金属的量应以填满孔隙为限度，过多或过少均不利。 影响熔浸过程的因素为： ( 5 ) 熔浸金属与骨架浸润良好的情况下，金属液的表面张力愈大，对熔浸愈 有利； ( 6 ) 连通孔隙的半径大对熔浸有利； ( 7 ) 液体金属对骨架的湿润角影响熔浸过程极为显著： ( 8 ) 熔浸金属与骨架浸润良好的情况下，在定范围内提高熔浸温度使液体 粘度降低，对熔浸有利； ( 9 ) 用合金代替金属进行熔浸，有时可以降低熔浸温度和对骨架材料的溶 解。如用c u f e 饱和固溶体代替纯c u 熔浸铁基零件效果很好。 ( 1 0 1 在氢气，特别在真空中熔浸可改善湿润性，并减小孔隙内气体对熔浸 金属流动的阻力。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 熔浸机理及分析 烧结的开始，随着温度的升高，软金属固体润滑剂开始熔化。根据第3 1 节所述可知，软金属固体润滑剂熔体能否浸渗到基体内部，主要取决于润滑剂熔 液与基体组成成分的浸润情况。 从热力学角度看，如果浸渗时附加压力为负，说明液态软金属润滑剂润湿 基体，而且能够缓慢地自发浸渗基体，这个过程中润湿界面处化学反应的吉布斯 自由能g o ，必须施加压力。由此可见，毛细 现象所产生的附加压力的大小在一定程度上反映了金属与基体之间润湿性能的 好坏。固体受液体润湿的性能可由接触角口来表示( 见图2 3 和图2 4 ) 。 图2 - 3 润湿角示意图图2 4 液态金属浸渗毛细管示意图 由杨氏方程可知： c o s 口：生：鱼 o t g 式中：d k ，吒，分别为固体一气体，液体一气体以及固体一液体界面 的表面能。 一般地。当c o s o o ( e 0 ，则有盯。，盯 高温时p b 和s n 对f c 的润湿性较好，在4 5 0 0 c 时，s n 对f e 7 8 8 1 3 s i 9 的接 触角只有3 5 。左右【3 8 l ，故熔浸过程能自动进行。在熔浸过程中，固体润滑剂熔体 主要受到毛细管力、自身重力、粘滞阻力的作用。固体润滑剂熔体能否浸入基体 内部关键在于毛细管力，能浸入多深关键在于粘滞阻力。由于合金熔体与基体之 间是浸润的，毛细管力是动力，所以在毛细管力和液体重力的作用下液体会自发 浸渗。 2 5 微观组织 图2 5 所示为a 1 2 0 3 n i c r - m o s i f e 系汗腺微孔金属陶瓷基体熔浸高温润滑 武汉理工大学硕士学位论文 剂前后的显微组织。熔浸前试样孔隙结构如图2 - 5 ( a ) 所示，孔隙分布均匀，孔径 差别比较小，形状比较规则；内部孔隙较表层大，类似于人体汗腺纵横交错，互 相贯通成网络状。熔浸后试样轴向剖面如图2 5 ( b ) 所示，固体润滑剂呈颗粒状均 匀填充孔隙中。可见，在熔浸过程后，固体润滑剂在毛细管力和自身重力下自发 渗入基体内部孔隙中。 ( a ) 熔浸前( b ) 熔浸后 图2 - 5 汗腺式多孔骨架基体熔浸固体润滑剂前后的s e m 照片 图2 - 6 为本次实验熔浸后试样的金相及润滑相元素的分布照片，图2 一( a ) 多 孔基体中的孔洞是相互连通的，熔浸后润滑相沿孔洞分布。图2 - 6 ( b ) ，( c ) 分别为熔 浸后固体润滑剂p b 和s n 在多孔骨架基体中的分布，对照图2 - 6 ( a ) 可见，润滑相 的分布与孔洞走向是一致的。 ( a ) 试样金相照片 p b 元素的分布 ( c ) s n 元素的分布 图2 - 6 熔浸后基体金相及润滑相元素分布 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 改善熔浸过程的方法与措施 在汗腺式高温自润滑材料的制备过程中，多孔骨架基体采用粉末冶金方法 制各后暴露于空气中，基体表面发生氧化，造成其表面与固体润滑剂熔液的润湿 性降低。所以在熔浸前用丙酮对基体试样浸泡片刻，除去表面的污染物，以利于 熔浸过程的进行。 由本章的分析可知，加速熔浸过程的进行，最主要的是要改善骨架基体与固 体润滑蠢u 熔液的润湿状况。改善润湿性般从以下三方面入手：升高固相表面 能；降低固液界面能；降低液相表面张力。现在已经有很多方法能有效的 改善金属润湿性，提高界面结合强度。其中合金化途径是应用最为广泛的改善润 湿性的手段，其主要原理是：合金元素在液态金属表面及固液界面吸附与富集， 降低液态金属表面张力及固液界面张力；在基材中加入使其表面能增加金属元 素；合金元素在固，液界面发生界面反应，形成界面反应产物。 因此在熔浸时，可以通过向润滑剂添加剂中加入t i ，n i ，c u ，m g 等合金元 素以增加润湿性。其中m g 的加入可以降低熔体的表面张力，同时增强界面反应， 加速了基体中舢2 0 3 相的溶解。