几种典型金属和涂层的冲击磨损机理研究

摘要

冲击磨损所诱发的材料损伤和安全问题，广泛存在于各类工程设备和高新技术领域的间隙振动配合或动态接触的工况中。冲击磨损的运动特点是呈反复的非线性接触—分离，引起接触区域的减薄、开裂，严重威胁设备的安全运行和生态环境。目前冲击磨损的试验方法和分析表征手段较为单一，材料性能和冲击参数对冲击动力学行为和磨损损伤机理的影响规律，也尚未形成统一认识。本论文从冲击动力学行为和能量耗散的表征着手，开展了冲击磨损的试验和有限元研究，不仅丰富了冲击磨损的理论体系，也为工程应用中的冲击磨损防护问题提供了借鉴依据和研究思路。 本论文在动能控制模式的冲击磨损试验机上，完善并丰富了表征冲击磨损动力学行为的试验研究方法。选取了几种金属材料和涂层材料，系统的研究了材料基本力学性能、夹持方案、动能构成和表面工程等因素，对冲击动力学行为的影响。同时结合微观磨损分析，揭示了冲击磨损损伤机制和能量耗散途径。通过有限元计算，模拟了多种物理量与冲击动力学行为和接触特性的联系，实现了对多次冲击的模拟计算，深化了对冲击磨损损伤机理的认识。完成的主要工作和取得的主要结论如下： 1．动能对冲击磨损动力学行为和磨损损伤机理的影响 （1）动能仅由速度改变时，接触区域的残余应力会随着冲击速度的增长而增大，加工硬化效应加剧，间接的导致冲击接触时长的减少。动能仅由质量改变时，冲头（质量块）保持运动状态的能力受到影响。质量越大，冲头运动状态的改变越困难，冲击接触时间的也越长。而在冲击动能相同的情况下，速度和质量的协同改变对冲击力几乎没有影响，表明材料对冲击的抵抗强度与动能大小有关，与其构成无关。 （2）能量吸收率会随着速度的增大而小幅增长，随质量的增加而降低。磨损结果同样表明，冲击动能相同的情况下，冲击磨损损伤也会因为动能构成的不同而存在明显的差异。因此，冲击动能并不能作为冲击磨损试验的独立控制参数，应当明确构成动能的基本物理量——速度和质量的大小。 （3）根据微观形貌特征，可将冲击磨痕分为两个区域。磨痕中央的圆形区域存在黑色的氧化剥层和浅色的基体材料，该区域的主要磨损机制为剥层磨损。外环区域表面平整，以塑性变形为主要损伤形式。动能相同时，特征区域的大小与动能构成有关：速度越大，磨损区域越大；质量越大，塑性变形区域越大。 2．几种金属材料的冲击磨损损伤机理 （1）弹性模量低的材料，对变形的抵抗能力差，容易发生剧烈的塑性损伤。而硬度低的材料，耐磨性差，使材料表面容易被磨损去除。随着材料力学性能的综合提升，冲击磨损机制从磨粒磨损向剥层磨损转化，能量的主要消耗途径也由塑性变形转换为接触次表层的微裂纹萌生和扩展。 （2）在竖直方向对试样进行夹持固定时，得到的冲击动力学行为实际上为螺纹连接部位的响应结果。因此，尽管试验选择的金属材料，在硬度和弹性模量上有着巨大的差异，但得到的冲击力、接触时间、能量吸收等结果大同小异。为了避免夹持结构的影响，提出以平行于冲击的方向对试样进行固定，使试样能够以材料自身的性能响应冲击磨损行为。 3．两种典型硬质涂层的冲击磨损损伤机理 （1）从冲击力、接触时长、能量吸收率等冲击结果可知，涂层的应用有效的改善了材料整体的冲击动力学行为，并极大减轻了冲击磨损损伤。其中，Cr-DLC复合涂层由于高脆性和高硬度的特性，使材料主要以疲劳剥落的方式被去除。同时，类金刚石结构拥有比较稳定的共价键，涂层不易发生摩擦氧化。而 MoS2/Pb 纳米复合涂层的冲击磨损机制为剥层磨损。 （2）能量吸收率的演变体现了涂层冲击磨损损伤形式和机理的变化。MoS2/Pb纳米复合涂层在试验前期，塑性变形为主要损伤形式，伴随的加工硬化效应遏制了塑性行为的进一步发展。随后，涂层吸收能量的能力增大，使更多的能量用于次表层裂纹的萌生和扩展。此外，冲击速度的增加会导致磨痕边缘的剥层碎化；而冲击质量的提高，会使磨痕中心也出现明显的剥层，导致更加严重的磨损去除。 4．冲击接触行为的有限元数值分析 （1）冲击动能不论是以速度或质量的方式改变，都会影响材料对冲击的抵抗强度。但不同的改变方式会造成动力学行为的变化，这主要是由速度和质量的物理特性所导致的。因此，在冲击动能保持不变、协同改变速度和质量的情况下，材料的抵抗强度不变，但具体的冲击动力学行为和响应速率会受到影响。塑性应变在接触区域中呈 M型分布，而接触中心的塑性应变和残余应力会随着速度/质量比的增大而减小。 （2）球半径的变化，极大的影响了材料对冲击的抵抗强度。半径越小，塑性行为越剧烈。同时，摩擦耗散能随摩擦系数增长。尽管量级较低，但考虑到实际工况下的时间累积效应，无疑会造成更加严重材料磨损和去除。 （3）接触区的塑性变形和加工硬化对局部性能的影响，使第一次冲击的动力学行为与后续冲击存在较大差异。接触区域的强度提高后，材料的进一步屈服越来越困难，直至接触应力与屈服强度达到平衡。尽管用于冲击破坏的能量会随着冲击次数的增加而减少。但摩擦耗散能的增长意味着，多次冲击的损伤将以材料的磨损去除为主。

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