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耐磨复合钢板钛及其合金扭动微动摩擦损特性研究

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扭动微动是指在交变载荷作用下接触副的界面间发生振幅扭动的相对运动。微动有四种基本的运行模式,扭动微动是其中之一,它普遍存在于实际工况中,扭动微动磨损是扭动微动失效行为之一,但接触界面初期的损伤行为以及磨屑的演变过程至今研究罕见,深入研究其在扭动微动条件下的运行和损伤机理,有助于深入的揭示扭动微动磨损的规律,并具有重要的工程应用和学术研究价值。

本文主要采用工业纯钛(TA2)及其合金(TC4)在干态下与对Zr02陶瓷球配副,耐磨复合钢板在新型扭动微动试验机上进行扭动微动试验,试验后用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、轮廓仪等微观分析手段,系统研究了钛及其合金的扭动微动磨损的运行行为和磨损机制。

(2)对于扭动微动,TC4和TA2存在三个微动运行区域:部分滑移区,混合区和滑移区。随着角位移幅值增大,TA2和TC4的微动运行区域都从部分滑移区向混合区和滑移区转变;而增大法向载荷,部分滑移区的宽度增加,混合区和滑移区向大角位移幅值方向移动;相同工况下,TC4和TA2可能处于不同的微动区域,说明耐磨复合板材料的力学性能的差异导致了扭动微动运行区域的变化。

(3)TC4和TA2随着角位移幅值和循环次数的增加,摩擦扭矩逐渐增大,TA2摩擦扭矩值始终大于TC4。在部分滑移区,摩擦扭矩曲线分跑合、上升和稳定阶段,在混合区和滑移区,当角位移幅值较大时,磨屑被排出相对容易,使得稳态摩擦扭矩所需时间更长。

(4)在部分滑移区,损伤轻微,磨损机制主要为磨粒磨损和轻微的氧化磨损。在混合区,损伤加剧,磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。在滑移区,损伤严重,磨痕表面呈现出典型的犁沟和剥层形貌,滑移区与混合区一样的磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。

(5)由于TA2硬度低,塑性好,因此塑性流动严重,而TC4硬度高,耐磨性好,韧性相对低,所以剥层现象更严重。磨痕轮廓表明,TA2和TC4在混合区和滑移区磨痕心部均有磨屑堆积现象,并且相同试验条件下,TA2堆积现象更为严重,排屑困难,这可能跟TA2塑性好有关。在TA2、TC4与ZrO2球对磨的过程中,当角位移幅值较大时,可观察到Zr元素从ZrO2对磨球转移过来。