（材料科学与工程专业论文）1cr18ni9ti及其tinti复合涂层高温微动磨损研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ii iim _ 摘要 微动磨损是工程中最为常见、最普遍的一种损伤形式。在核电设备中，微动磨损 也是不可避免的现象，核电设备中有相当一部分损伤与微动磨损有关，而核电设备处 于一个特殊的高温环境中，对高温微动磨损研究的目的在于减轻核电设备中的微动磨 损，延长其服役年限，因此有重要的实际意义和巨大的经济效益。 本文用高精度p l i n t 高温微动磨损试验机对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢和等离子体浸没离 子注入和沉积( p i i i & d ) t i n t i 复合涂层进行了高温微动磨损试验研究。利用激光共 焦扫描显微镜( l c s m ) 对磨损量进行了测量，结合光学显微镜( o m ) 、x 光电子能谱 分析仪( x p s ) 、俄歇电子能谱仪( a e s ) 、x 射线衍射分析( x i m ) 、扫描电子显微镜 ( s e m ) 和能谱仪( e d s ) 进行分析和磨痕形貌观察。详细研究了位移幅值、法向载 荷、温度等参数对微动磨损特性的影响，探讨了高温微动磨损机理，结果表明： 1 对于1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，在部分滑移区，随着法向载荷的增加微动的磨损体积 和摩擦系数都减少；在滑移区和混合区随着位移幅值和法向载荷的增加，磨损体积和 摩擦系数都增大。 2 随着温度的升高1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的摩擦系数、磨损体积都增加；在滑移区， 随着温度的升高p i i i & dt i n t i 复合涂层的摩擦系数、磨损体积都增加；在部分滑移区， 温度对p i i i & dt i n t i 复合涂层的磨损体积影响不显著。 3 对于1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，室温和2 0 0 。c 条件下，磨损以剥层和粘着磨损机制为 主，局部存在磨粒磨损，4 0 0 时的磨损机制以剥层和粘着磨损为主；对于p i i i & d t i n t i 复合涂层，室温和2 0 0 磨损机制都是以剥层和磨粒磨损为主，4 0 0 时以剥层 和氧化磨损为主，局部存在磨粒磨损。 4 在部分滑移区2 5 至4 0 0 的温度范围内，p i i i & dt i n t i 复合涂层的摩擦系 数和磨损体积都要远小于1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，大大提高了1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢抗微动 磨损性能；但在滑移区4 0 0 时由于涂层己被磨穿，磨损体积比基材更大。 关键词：微动磨损；温度；1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢；p i i i & dt i n t i 复合涂层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼皇量皇曼曼皇曼曼舅mm 一 一i i m m 一皇曼量曼曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇暑曼量曼暑曼曼曼! 曼曼曼曼曼量 a b s t r a c t f r e t t i n gw e a ri saf a m i l i a ra n dp r e v a l e n tw e a rf o r mi ne n g i n e e r i n g f r e t t i n gw e a ri sa p h e n o m e n o nt h a tc a n tb ea v o i d e di nt h ee q u i p m e n to fn u c l e a rp o w e r q u i t eaf e wd a m a g e s i nn u c l e a rp o w e re n g i n e e r i n gc o r r e l a t et of r e t t i n gw e a r , n e e q u i p m e n t so fn u c l e a rp o w e r a r ew o r k i n gi nt h ec o n d i t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e i n v e s t i g a t i o no nt h eh i g ht e m p e r a t u r e f r e t t i n gw e a rw i l lr e d o u n dt oa l l e v i a t ed a m a g e si nt h ee q u i p m e n to fn u c l e a rp o w e r , w h i c h h a sg r e a ti m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es o c i e t ya n dt h ee c o n o m y h i g ht e m p e r a t u r ef r e t t i n gw e a rb e h a v i o ro f1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e li t st i n t i c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yp l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o na n dd e p o s i t i o n ( p i i i & d ) h a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gh i g hp r e c i s i o nt e s ta p p a r a t u s v a r i o u sa n a l y s i s e s ，m e a s u r e m e n t s o fw e a re x t e n ta n do b s e r v a t i o n so ft h ew e a rs c a rp a t t e r nh a v eb e e nc a r r i e do u tb ym e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，l a s e rc o n f o c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p y ( l c s m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i o ns p e c t r o m e t e r ( e d s ) a t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t r y ( a e s ) ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o m e t r y ( x p s ) ，1 1 1 ee f f e c t so f d i s p l a c e m e n t ，n o r m a ll o a da n dt e m p e r a t u r eh a v eb e e nf o c u s e do n t h em e c h a n i s mo fh i g l a t e m p e r a t u r ef r e t t i n gw e a l i se x p l o r e ds y s t e m a t i c a l l y m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 i ns l i pr e g i m ea n dm i x e dr e g i m e ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s p l a c e m e n ta n dn o r m a l 1 0 a d ，t h ew e a rv o l u m ea n dt h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n to f1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lb o t hi n c r e a s e i np a r t i a ls l i pr e g i m e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fn o r m a ll o a dt h ew e a re x t e n ta n dt h ef r i c t i o n t o e 街c i e n tb o t hd e c r e a s e 2 t e m p e r a t u r eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef r e t t i n gw e a r 1 1 1 ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h e w e a l - v o l u m eo flc r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh i 酿t e m p e r a t u r e ，i n p a r t i a ls l i pr e g i m et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rv o l u m eo ft i n t ic o m p o s i t i o nc o a t i n g w e r ea l m o s ti n v a r i a n tw i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g 3 a t2 5 ，t h ew e a rm e c h a n i s mo f1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e li sd e l a m i n a t i o na n d a b r a s i v ew e a r , m a i n l ya d h e s i o na n da b r a s i v ew e a ra t2 0 0 a n d4 0 0 ：a t2 5 a n d2 0 0 t h ew e a rm e c h a n i s mo ft i n t ic o m p o s i t i o nc o a t i n gi sd e l a m i n a t i o na n da b r a s i v e a n da t4 0 0 t h ew e a rm e c h a n i s md o m i n a n ti sd e l a m i n a t i o n , o x i d a t i o nw e a r a t2 5 a n d2 0 0 t h e f r i c t i o nc o e m c i e n ta n dt h ew e a rv o l u m eo ft i n t ic o m p o s i t i o nc o a t i n ga r es m a l lt h a nt h e 1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l ，a t4 0 0 。c ，a sar e s u l to ft i n 伍c o m p o s i t i o nc o a t i n gw e a r t h r o u g h t h ew e a rv o l u m ei sh i g h e rt h a n1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l 4 f r o m2 5 t o4 0 0 ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft i n t ic o m p o s i t i o nc o a t i n gi s1 0 w e r t h a nt h a to f1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l ；b e c a u s eo f h i 曲r i g i d i t ya n dw e l lh i g ht e m p e r a t u r e c a p a b i l i t yo fp i i i dt i n 门f ic o m p o s i t i o nc o a t i n g , t h ew e a rv o l u m eo ft i n r ic o m p o s i t i o n c o a t i n gi sl o w e rt h a nt h a to f 1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l ；t h ea p p l i c a t i o no fp i i i & dt i n t i c o m p o s i t i o nc o a t i n go n1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e li m p r o v e st h ep r o p e r t yo ff r e t t i n gw e a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 r e s i s t a n t k e yw o r d s ：f r e t t i n gw e a r ；t e m p e r a t u r e ；1c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l ；p i i i & dt i n f r i c o m p o s i t i o nc o a t i n g s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密画使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：卅_ 徘指导老师签名：痴1 d 啤1 日期： 日期：一o 妒玛 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 研究了1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢在滑移区、混合区、部分滑移区的高温微动磨 损性能。 2 对比研究了p i i i & dt i n t i 与1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢基材的高温微动磨损特 性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：占柏林 日期：矽咖r 、溏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章概述 1 1 微动摩擦学发展概述 1 1 1 微动摩擦学概念 微动( f r e t t i n g ) 是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用 下，接触表面发生的微小振幅的相对运动【卜3 1 。不同于宏观的滑动摩擦和滚动摩擦，微 动是一种微量运动，位移幅值为微米量级。微动摩擦学是研究微动状态下运行机理、 损伤、测试、监控、预防的一个学科分支，它是- f j 日益发展的新兴交叉学科，涉及 的学科广泛，如机械学、材料学、力学、物理学、化学，甚至生物医学、电工学等【4 】。 目前由于机器的连续化、自动化程度不断提高，工作条件愈来愈苛刻，对元、部 件的精度、使用寿命及可靠性提出了更高的要求，在国外已发现有大量的微动问题需 要解决，国内也有一些单位认识到机器中出现的损坏是由微动引起的，并正在寻求解 决办法。比较突出的是航空机械、核电站、风动工具和涡轮机中的微动问题【5 】。 微动可以从两个不同的方面对部件产生危害。一个是直接的，即表面磨损，这可 能导入零件松动，功率损失或噪音增加，也可能由于磨屑聚集造成运动副咬死；另一 是间接的，是由局部反复作用在表面或亚表面层中产生微裂纹，并在反复应力下发展 成疲劳断裂，即微动疲劳，其后果是大大降低构件的疲劳强度，后者的影响具有更大 的危险性，有时可造成灾难性事故【6 7 】。 1 1 2 微动摩擦学分类 在微动摩擦学领域，习惯上将微动分为3 类【引，即： ( 1 ) 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：通常是指接触表面的相对位移由接触副外界振动引 起的微动，接触副只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力，如图1 1 a 所示。 ( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) ：是指接触表面的相对位移由一接触副承受外界的 交变疲劳应力引起的变形而产生的微动，如图1 1 0 0 ) 所示。 ( 3 ) 微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ：是指在电解质或其他腐蚀性介质( 如海水、酸 雨、腐蚀性气氛等) 中发生的微动。微动过程都有腐蚀发生，但这时腐蚀占优势，如 图l 一1 c 所示。 l 型翟a 翘 卜岩7 ，厶妇 叫洲1 fp 、 t t | t t f ? t f f l i l ? ? t 舟蔗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( a ) 微动磨损 ( b ) 微动疲劳( c ) 微动腐蚀 p 一法向压力，d 一位移幅值，o ( t ) 一交变应力图 图1 1 微动的分类示意图 实际的微动现象十分复杂，根据简单的球平面接触模型，按不同的相对运动方向， 微动可以分为四类基本运行模式，如图1 2 所示：切向式微动，或称平移式微动； 径向式微动；滚动式微动；扭动式微动。 l f n i f n j f n ， i f n 下爪l d9 q qqq 滚动徽动 ( c ) 扭动搬动 ( d ) p 一法向压力，d 一位移幅值，q 一角度振幅 图1 2 微动的四类基本运行模式 1 1 3 微动磨损的影响因素 9 1 0 1 1 影响微动磨损的因素很多，并且各种因素并不是简单的叠加，而是相互影响。这 是微动磨损比其它形式更为复杂，更难以认识和控制的主要原因。 位移幅值：位移幅值是最关键的参数，从而受到研究者的高度重视，并进行了大 量的研究。一般来说，微动幅值较小时，大部分磨屑保留在接触区，从而减少金属一 金属间的接触，使载荷在整个名义接触面积上更均匀，有减小微动磨损的作用，表现 出较低的微动磨损率。在振幅较大时，磨屑从接触区溢出，金属与金属接触增大，有 较高的磨损率。 载荷：如果载荷增大可以使位移幅值减小甚至完全阻止微动，那么材料的磨损率 将下降，但如果振幅不受载荷增加的影响而保持稳定，则材料的磨损率随着载荷线形 增大，若同时发生疲劳破坏时，疲劳裂纹起源于滑移与不滑移的边界，增加载荷使接 触应力集中增高，从而有不利影响。对于在交变应力作用下的构件，随着接触载荷的 提高，产生微动疲劳裂纹的倾向增大。 频率：若根据一定的循环次数来评价损伤，则频率越低磨损越大。频率影响的实 质是化学因素，化学过程与时间有关。频率越低，每次循环中再生氧化膜有足够的时 间修复，再生氧化膜越厚，每次除去的材料也就越多，微动磨损越严重。 循环次数：当位移值、频率、载荷等参数固定时，钢的磨损体积与循环次数呈线 形关系，即磨损率速率相同。但在微动开始时有一磨损速率迅速增加的阶段，这类似 霉 虽躺 匿伯 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 于滑动磨损中的跑合，实质上就是粘着与磨屑的发生和增长阶段。跑合阶段的长短与 材料有关外，还与微动条件有关，条件激烈，产生的磨屑速度快，跑合阶段就短，反 之跑合阶段变长。 1 1 4 常见的微动实例 微动损伤是工程中种广泛存在的现象。普遍存在于机械行业、核反应堆、航空 航天、桥梁工程、汽车、铁路、船舶、电力工业、电信装备和人体植入器官等领域的 紧配合部件中。a 、连接件：如铆钉连接、螺纹连接和销轴连接；b 、键槽配合：如花 键配合；c 、过盈配合；d 、绳索类构件：如钢缆、高空电缆；e 、紧固构件；f 、夹持机 构；g 、滚动轴承；h 、板簧；i 、震动环境或运输过程中的零件；j 、电接触；k 、核工 业。 高温工况下的微动也常见，核电工业中，蒸汽发电机和热交换器中的流体往复流 动引发的振动导致在管道与管道之间或管道与流经的倒流板之间的微动磨损，可能造 成铀棒表面破坏引起核污染。航空器发动机的系统的关键配合件出现的一些典型的微 动失效问题，造成重大的隐患。 微动在工业领域中广泛存在，在许多重要的工业部门已经成为了一些关键零部件 失效的主要原因之一。开展微动摩擦研究，对于减轻部件之间的微动磨损，具有十分 重要的现实意义。 1 1 5 微动磨损的危害 微动磨损就其发生的部位而言，大体可以分为两类： ( 1 ) 是相对静止的配合面或组元如压配合、铆接、螺栓、锥套、法兰连接、键与 销固定件、点接触插件等，它们在环境振动的影响和胁迫下受到交变应力而引起微动。 ( 2 ) 是各种运动副在停止运转时由于环境振动而产生的微动如滚动轴承中滚珠与 内外滚道，各类传动机构如齿轮、凸轮、链轮、曲柄连杆和各类柔性连接轴、铰链， 电接触点等等。 1 2 微动磨损的特点和主要理论 1 2 1 微动磨损的特点 从各方面来看，微动磨损最接近往复式滑动磨损，但其区别在于： 由于振幅小，滑动的相对速度极低：例如一个位移幅值为2 0 “m ，频率为5 h z 的微动摩擦副，其平均速度为0 2 m m s 。 由于振幅小，微动表面绝大部分总是保持接触，因此磨屑溢出的机会很少，它 们必然对界面的摩擦过程发生影响。 局部往复运动中，微动界面大都处于高应力状态，表面和亚表面变形及萌生裂 纹要比一般滑动严重得多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 损表面会出现带色的斑点，此外还有微裂纹或小沟槽。铁在空气中自然形成 t - f e 2 0 3 ，呈红褐色，氧化铝通常是白色，但是铝的磨屑是黑色的。 虽然微动磨损初期有时可表现为激烈的磨损形式，从整个过程来衡量，以单位运动 距离或时间的材料损失为标准，它相当于轻微滑动磨损。但一般的滑动是作用在长距 离上，微动却集中于很小的面积中，因此危害并不总是轻微的，而萌生疲劳裂纹是微 动磨损形式的突出特点，这点比滑动磨损或其它磨损更严重【l 2 1 。 1 2 2 微动磨损的相关理论 1 2 2 1 早期理论 人们最初是从微动磨损区磨屑的特征认识微动磨损现象的。1 9 1 1 年，e d e n 等在对 钢试样进行疲劳试验时，发现夹具上有红色锈蚀形成。1 9 2 7 年t o m l i n s o n 研究了这一 现象，称之为“微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) 1 2 】。后来的研究表明，惰性材料在大气 中或活性材料在真空中均可出现微动损伤，因而认识到腐蚀环境不是微动损伤的必要 条件。1 9 4 1 年，w a r l o w 发现微动能明显导致疲劳强度下降【l3 1 。自六十年代起，微动疲 劳损伤的研究逐步受到重视，尤其是经过近一、二十年的发展，通过微动磨损与微动 疲劳的协同研究对微动损伤有了较深入的认识。 鉴于微动可以在极小的位移幅度下引起破坏，t o m l i n s o n 等【1 4 】认为引起表面颗粒脱 落的主要原因是分子吸引而不是磨粒磨损。g o d f r e y 等【l 孓1 6 】对微动初期进行研究，得出 因粘着从表面脱离，而氧化是次要因素。u h l i g1 。7 】提出机械和化学的联合作用是引起微 动破坏的两个主要因素。机械作用是指表面的金属被直接磨损，化学作用是指表面的 金属氧化物被对偶件磨损，使活性表面和大气接触，生成氧化物的化学过程。f e n g 和 r i g h t m i r e 1 8 从传统摩擦磨损理论出发，认为颗粒是由于塑性变形造成的犁沟效应引起， 并进一步建议把微动破坏分为以下几个过程：( 1 ) 氧化膜保护；( 2 ) 由于相对滑动氧 化膜破裂；( 3 ) 表面颗粒脱落；( 4 ) 磨粒磨损和氧化磨屑层形成；( 5 ) 磨屑产生和溢 出保持动态平衡。w r i g h t 等【l9 】从微动过程的角度出发，认为颗粒脱落氧化后变成具有 磨粒磨损特性，而且，表面破坏还有疲劳的影响。h a l l i d a y 和h i r s t 2 0 】在微动初期发现 颗粒是由于接触塑性变形导致金属表面局部粘合点的断裂引起脱落。w a t e r h o u s e 2 1 】通过 在无氧状态下的微动研究，指出微动破坏完全是机械作用的结果，并进一步认为其破 坏机理类似于单向滑动磨损；但在有氧环境下，其破坏本质上是化学作用，而机械运 动主要起到氧化磨屑的排泄作用。w a t e r h o u s e 2 2 还认为，提高温度将加剧表面氧化。 到七十年代，英国学者h u r r i c k s t 2 3 】对以上各家微动损伤机理作了综合分析，通过 总结比较，h u r r i c k s 认为微动分为三个阶段：( 1 ) 初期金属表面的粘着和转移；( 2 ) 颗 粒的氧化；( 3 ) 稳定磨损状态的建立。 2 0 世纪7 0 年代以后，部分学者如w a t e r h o u s e 等【2 4 】将s u b 2 5 】在大位移滑动磨损条 件下提出的剥层理论应用于微动状态，认为颗粒的剥离与亚表层裂纹的萌生和平行于 表面扩展有密切关系，因此剥层理论适用于微动条件下的磨损。 1 9 9 2 年，w a t e r h o u s e t 2 6 】在基本同意h u r r i c k s 的观点的基础上，结合摩擦系数的变 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 化，细化了h u r r i c k s 提出的三个阶段理论。概括起来主要内容是在两平面或两同曲圆 柱面之间发生微动磨损( 磨屑不易溢出的情况) 时，随着时间( 或循环次数) 增加， 微动过程可分为三个阶段： ( 1 ) 初始阶段( 循环次数在数干次内) ，金属与金属接触占主导地位，导致形成 局部冷焊( 粘着) ，表面更加粗糙，引起高摩擦，同时使接触电阻降低。如果微动是由 交变应力引起，则在该阶段将萌生疲劳裂纹。 ( 2 ) 氧化阶段，在机械和化学作用下，颗粒发生氧化形成致密的氧化物层，此时 摩擦系数下降，接触电阻在高、低值间摆动，表现出不稳定的特性。 ( 3 ) 稳定阶段，摩擦力或高或低保持相对稳定，接触电阻通常较高，但偶尔短时 间稳定。 1 2 2 2 微动理论的研究进展 ( 1 ) 过应力一应变机制 周仲荣和v m c e n g 等 2 7 】从材料对微动损伤作用的响应角度看，认为微动表面材料 损失是因为在反复微动作用下材料表面层发生过应力、过应变使表面硬化，丧失韧性， 表面材料脱离成为磨屑。认为裂纹的萌生是因为“过应力，的作用，过应变是应变超过 材料的屈服应变，过应力是应力超过材料的疲劳极限。 同时指出，过应变产生在接触区域内部，材料受到垂直压力和切向摩擦力，使表 面的材料产生较大的变形。而过应力则产生在接触区与非接触区的边界上，裂纹通常 在这个边界上萌生。这种观点有明确的力学概念，基本上属于一种宏观认识，关于微 裂纹生成位置的预测比较符合实验结果。 ( 2 ) 接触界面调节机制_ 2 0 世纪8 0 年代后期，b e r t h i e r 和v i n c e n t 等提出了接触界面调节机制，他们将接 触系分为三体( 两接触体和第三体磨屑) 或五个部分( 两接触体以及两接触处表面膜 及第三体磨屑) 在摩擦过程中每一个部分都可能发生弹性变形、法向断裂、剪切、滚 动等四种基本运动方式，以实现两接触体间的相对运动。因此按排列组合在五个部分 共有2 0 种运动调节机理。这种调节机制既适用于干摩擦也适用于润滑工况，可以清楚 的了解到界面相对运动和微观摩擦特性。 ( 3 ) 微动第三体理论 法国的v i n c e n tl 等人【2 8 3 0 】在对微动磨损过程第三体的产生及其作用进行系统分 析的基础上，把微动过程中金属间的磨屑可以看成两个连续和同时发生的过程，即： 磨屑的形成 a 、接触表面粘着和塑性变形( 偶尔伴随材料转移) 引起表面损伤： b 、接触材料严重加工硬化导致结构的变化，部分材料变脆；白层同时也形成，随 着白层的破碎，颗粒剥落。 c 、颗粒随后被碾碎，并发生迁移，其过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数。 磨屑演化( 对金属材料而言) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 a 、磨屑轻度氧化，仍为金属本色，粒度为p m 量级： b 、随着接触面的往复作用磨屑不断的碎化和流动，磨屑进一步氧化，接触面的 颜色开始变成灰褐色，磨屑粒度为01 n m 量级； c 、磨屑深度氧化，粒度为0 0 l g m 量级。表面呈红褐色，其主要成分f e 2 0 3 。 应用第三体理论可以很好的解释摩擦力一位移幅值一循环次数三维图( 对钢铁材 料而言) ，见图1 3 ，即： 图13 摩擦力位移循环次数三维图 a 、接触初期( 跑台期) ，清除表面污染膜，这一过程仅持续极短时间摩擦系数 较低。随着表面膜的透渐去除，摩擦力逐渐上升。 b 、接触体直接接触，发生粘着，摩擦系数上升，这时因表面加工硬化并伴随材料 内部组织结构改变。 c 、磨屑不断剥落，接触面之问形成了第三体床，二体接触向三体接触过渡，受第 三体的保护，粘着受到抑制，摩擦系数降低。 d 、磨屑不断形成和排除，其成分及接触表面髓时问而改变，表面间的三体运动容 易使摩擦力保持在一个相对稳定的状态即磨屑的形成和溢出达到动态平衡，微动进 入稳定状态，表现为摩擦系数保持在相对的稳定值，该阶段不受时间限制。 ( 4 ) 能量方法理论 众所周知，摩擦过程是一个耗能过程。摩擦过程中消耗的能量大部分以摩擦热的形 式释放。既然摩擦与能量紧密相连，讨论摩擦过程中能量耗散与摩擦磨损的关系自然 成为摩擦学研究的一种方法。尤其在微动摩擦学研究中，能量的方法已经得到了广泛 应用，并取得了一些成果。微动中，释放能量的观点首先是由m o h r b a c h g r 和f o u v r y 等在研究金属基体时引入的，但逐渐被用来研究聚舍物的微动摩擦。 因此能量的方法可以用来度量磨损，在微动摩擦学研究中具有重要的应用。它不 仅可以解释实验现象，而且能够从理论上预测实验结果。能量方法的突出优点是它可 以联系各个摩擦学参数，如摩擦系数、滑动距离、接触压力等，用一个参数代表所研 究的系统。通过把这些参数与磨损体积联系起来，摩擦副之间可以相互比较。而且可 以从实验条件推广到工业操作条件。正是由于以上优点，能量的方法作为一种微动的 研究方法正越来越受到人们的重视i ”l 。 1 2 2 3 微动图理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼皇皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼,- i i i 皇曼曼曼 1 9 8 8 年，v i n g s b o 等最先在进行大量文献调研和微动实验的基础上提出微动图的概 念，将微动划分为三个工况，即粘着、粘滑和滑移。z h o u 和v i n c e n t 等【3 3 3 7 】人在针对 不同材料和大量参数进行微动试验的基础上提出了二类微动图理论，丰富和发展了微 动图理论，为从本质上揭示材料的微动运行机理和损伤规律提供了一种有效的信息。 。 f t 厂 彳 d ， ， 乒一一一 ， f t 彳 少 ， 图1 4 三种最基本的f t d 曲线 接触表面间的摩擦力一位移的变化曲线( f t d 盐线) 是反映微动的最基本和最重 要的信息，每次往复微动循环都对应一组f t d 曲线，组合整个微动循环过程，既可 以描述微动过程的动态变化。通过大量的微动试验表明，可将f t d 曲线归纳为三种 最基本的曲线。如图1 4 所示。 直线状：主要发生在极小位移幅值或较大法向压力的条件下，两接触表面不发 生相对滑动，其接触工况符合m i n d l i n 理论，即在接触边缘发生微滑和中心处于粘着状 态。 平行四边形状：与前者相反，该类f t - - d 曲线表明两接触体在往复过程中发生 相对滑移。 椭圆状：该类f t - d 曲线一般在微动初期很少发生，通常在一定的微动循环次 数后形成，摩擦表面通常伴随着较强烈的塑性变形。 按微动过程中f t d 曲线随循环次数的动态的变化( f t d - n 三维曲线特性) 可将 运行工况分为以下三个区域： 部分滑移区：除微动初期极少数f t d 曲线呈线形轻微张开，几乎所有的f t d 曲线基本封闭，摩擦力相对稳定。该区域出现的损伤特征是：接触边缘发生微滑，中 心区域保持粘着，外界施加于接触表面间的相对位移主要由弹性变形控制。 混合区：微动初期的f t d 曲线完全张开，接触表面有较大的相对滑移，随着 循环次数的增加，摩擦力迅速上升，f t d 曲线趋向于闭合，经过一定的循环次数，f t d 曲线再次突然分开，紧接着又闭合，经过一次或多次反复，逐渐趋向于稳定，此时的 f t d 曲线呈现出半闭合型。 滑移区：在整个磨损过程中f t d 曲线完全张开，呈平行四边形，两接触面发 生相对滑移，摩擦力波动较大，该区域通常伴随沿微动方向上出现滑动磨损的特征。 1 3 核电设备中微动磨损的研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 因核电工业的特殊性，对核电设备、结构提出了高的可靠性以及长寿命的要求。 从近3 0 年核电设备实际运行经验看，相当一部分核电设备、结构还达不到设计寿命，其 实际运行寿命仅达到堆设计寿命的2 0 ，多因各种不易克服的破损或维修效果不佳而提 前退役。甚至一些关键设备都未能达到设计寿命。近1 0 年来，这种局面仍没得到根本性 的转变 3 引，这就给核电站带来了很大的安全隐患和经济上的巨大损失。 微动磨损是存在于核电设备中不可避免的现象，核电工程中有相当一部分损伤与 微动损伤有判3 9 】。如：蒸汽发生器和热交换器，上部堆芯支承结构的控制棒导向筒的 定位销，燃料棒及燃料组件，控制棒组件，反应堆冷却剂泵，燃料通道，压力管，另外， 堆内测量装置也潜在着微动磨损【加】。振动和微动是引起核电设备、结构中螺纹联接结 构预紧力下降、松动、螺纹面损伤失效的主要因素【4 1 1 。高温、高压、高纯度水中的s g 的失效类型，主要包括磨损、坑痕、微动、i g s c c ( 晶间应力腐蚀) 等【4 2 】。 微动导致结构磨损失效，加速其疲劳腐蚀损伤失效，这是核电设备中的一个疑难 问题，国内外的研究人员对此进行了广泛的研究。 k i mh y u n g k y u 对燃料棒的微动进行了机械分析，认为剪力是燃料棒微动的主要 问题，在燃料棒早期使用寿命期间，接触表面上部分滑移区占优势【4 3 1 。 当滑移幅值 l o o u m 时，损伤量急剧增加m 】。i l l m t h 等认为原因是表面损伤发生 前，部分滑移区域的材料发生弹性变形。而l i m h y u n g - k y u 等认为当滑移方向为横向 时或者当支撑件具有凹形时，磨损能被抑制【4 5 1 。k i mh y u n g k y u 等还对接点形状和支 撑条件作了研究【4 6 1 ，他们认为磨损区域被分离依靠接触形式，支撑条件对磨损形成的 影响依靠接触形式。另外k i mh y u n g k y u 还对燃料棒与垫片格栅之间的接触表面的垂 直应力进行了数值计算【47 | 。 随着循环次数和振动幅值的增加，磨损量增加【4 引。g mq u g l i a 等人在实验中得到 这样的结果：i n c o n e l 6 0 0 a i s l 4 1 0 ( 0 3 m m 的滑动距离) 比i n c o n e l 6 0 0 碳钢( 0 5 m m 滑动 距离) 的磨损率低；i n c o n e l 6 0 0 i n c o n e l 6 0 0 显示了明显的滑动距离的影响。 不同的材料的疲劳极限和耐磨性不同，选择较好的材料能够起到很大的作用。 p o k h m u n sk 啊v i 【4 9 】在实验中发现：0 8 k m 4 m f 钢构成的管的接点的疲劳极限小于 1 1 0 5 ，0 8 k m 4 m f 钢构成的管的接点的耐久性要比0 8 k h 1 8 n 1 0 t 钢小3 9 。 p a r kc h i y o n g 等人【5 0 】、k i md g 等人 5 l 】、a t t i am h 5 2 】分别在不同条件下证实了： 无论是在热处理，还是在增加法向负荷和滑移幅值的条件时，在同一种工作效率模式 下i n c o n e l6 9 0 t t 比i n c o n e l6 0 0 h t m a 具有更好的耐磨性，原因在于i n c o n e l6 9 0 t t 的 小原子结构较易容纳大的应力，从而使得它拥有更高的抗微动磨损能力。在同一工作 速率下，8 0 0 合金对磨于4 1 0 不锈钢摩擦系数是最高的( 6 7 x 1 0 。5 p a - 1 ) ，而6 9 0 t t 对磨 于4 0 9 不锈钢摩擦系数是最低的1 8 1 0 以5 p a 1 ) ；i n c o n e l6 0 0 m a 与i n c o n e l6 9 0 t t 有着 相同的磨损机制，8 0 0 合金的磨损机制有所不同。 当a l l o y 8 0 0 的管道和4 1 0 马氏体不锈钢的支撑部件配副时摩擦系数最高，当 i n c o n e l 6 9 0 t t 和4 0 9 铁素体不锈钢配副时摩擦系数最小，用扫描电镜观察其磨损面时 发现，i n c o n e l6 0 0 m a 和i n c o n e l6 9 0 t t 都表现出了非常相似的磨损特性1 5 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在通常载荷和滑动振幅工作条件下，i n c o n e l6 0 0 m a 的微动磨损率和磨损量比 i n c o n e l6 9 0 t t 高，扫描电镜观察的结果：没有明显的磨粒在磨损表面聚集，同时，i n c o n e l 6 0 0 m a 的磨粒通常在薄层处释放，薄层通常是指在磨损过程中由于多次的塑性变形而 形成的下表面磨损，因此，蒸汽发生器管( s g ) 的磨损率室温下和塑性变形是密切相 关的，磨粒的尺寸似乎是由其组织结构的厚度决定的【5 4 1 。 y o u n g h ol e e 等研究表明：i n c o n e l6 0 0 m a 和i n c o n e l6 9 0 t t 表现出相似的磨损特 性与其在管道材料上形成的塑性变形层密切相关，而在微动磨损过程中a l l o y 8 0 0 的磨 屑从多次变形的塑性流中溢出，这就使得它相对与i n c o n e l6 0 0 m a 和i n c o n e l6 9 0 t t 有 较低的抗磨性。i n c o n e l6 9 0 t t 在空气中是分层磨损的，在水中受微观坑的影响，而且， 发现摩擦系数随着水温的升高而增加【”】。 i n c o n e l6 9 0 t t 管道和不锈钢4 0 9 支撑部件在正常的工作环境下，摩擦系数在2 9 0 时大大超过了其在室温，磨损率在2 9 0 时比室温时大1 0 倍，s e m 观察磨损表面得出： 在室温冲击磨损过程是磨蚀磨损和塑性变形，而在2 9 0 时，是粘着磨损和塑性变形， 小振幅是指位移在3 0 0 u m 以下，实验发现冲击力比振动振幅造成伤害的影响大f 5 6 1 。 i n c o n e l6 9 0 t t 管道在水中，随着温度从2 5 增加到1 5 0 以下时，磨损随着温度 的增加而减少，而在空气中，磨损随温度增加而减少在任何温度下都成立，磨损随温 度的变化是由于氧化层的结构不同，从中我们可以假定这种氧化层是磨屑的溶结，溶 结点冷却，或是氧化作用，并且这些性能都随着温度和环境的改变而改变，这些都可 以通过鉴别观察磨损表面氧化层来证明1 5 。 刘捍卫等对s g 的支撑部件材料1c r l3 不锈钢从室温到4 0 0 的微动磨损研究得 出：由于高温氧化效应加剧、氧化膜快速形成的原因，温度对滑移区内的微动磨损影 响较大，随着温度的升高，摩擦系数降低，即摩擦力降低。剥落颗粒尺寸减小，磨屑 量减少，磨损量下降。磨损机理为氧化与剥层。然而，对于部分滑移区内的微动，温 度几乎没有大的影响【5 引。 由于核电设备的工作运行情况十分复杂，核电设备的微动损伤分析是非常复杂的， 涉及的相关学科很多，单从某一学科领域进行研究分析，不会取得满意的结果。微动磨损 研究又具有多学科性、多影响因子性和因子参量时变性的特点，故此研究工作十分困难 与复杂，在这种情况下，我们必须面向工程实际需要进行深入系统的微动磨损研究，充 分应用相关学科尤其是利用交叉、边缘学科知识来分析解决核电设备中的微动磨损问 题，并通过摩擦学设计和表面工程设计等手段来降低微动磨损。 1 41o r18 ni9 ti 不锈钢在核电设备中的应用及研究现状 奥氏体不锈钢因具有良好的耐蚀性和焊接性，优良的热强性和冷、热加工性能以 及冷形变后又具有强度、塑性和韧性的良好综合性能。所以在核电设备中被广泛应用， 例如：快堆和改进型气冷堆( a g r ) 的元件包壳、格架和元件盒以及水堆燃料组件的上、 下管座及压力容器里衬，快堆、重水堆的容器和轻水堆、重水堆与快堆的主管道、主 泵等多由奥氏体不锈钢制成。总之，它是反应堆系统中的重要结构材