新型钛锆基合金在不同环境下的摩擦磨损行为研究

发布时间：2020-07-02 22:23

【摘要】：新型钛锆基合金由于其轻质、高比强度和耐腐蚀性等优异的综合性能,在航空航天、核工业、舰船中的耐腐蚀构件以及某些特殊领域具有广泛的应用前景。对于新型锆钛基合金,为了满足工程的需要,不仅要求其具有良好的力学性能,对其摩擦磨损行为也需要深入的了解和认识。本文以新型钛锆基系列合金中的Ti20Zr6.5Al4V(以下简称T20Z)晶态合金和Zr_(41)Ti_(14)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)非晶态合金为对象,分别在大气、真空和高温环境下,选择不同载荷、不同滑动速度等试验条件进行了摩擦磨损试验。通过扫描电子显微镜研究了不同试验条件下磨痕表面积磨痕附近截面形貌的变化特征;用透射电子显微镜研究了不同试验条件下磨痕表面附近的微观组织演化规律,结合钛锆基合金摩擦系数和磨损率的变化趋势,揭示了该合金在不同环境下的摩擦磨损机制。试验结果表明,T20Z合金在大气环境下其摩擦系数随载荷与速度的变化关系表现为:当速度为0.59 m/s时,摩擦系数随载荷的增加而减小,在0.28到0.33范围内波动;当滑动速度为1.17 m/s时,摩擦系数随载荷增加而增大,在0.26到0.34范围内波动。其磨损率随载荷的增加而增加,随滑动速度的增加呈先减小后增大的变化趋势。此时的磨损机制表现为:当载荷较低时,由低速时的磨粒磨损转变为高速时的磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损等多种磨损机制共存。当载荷较高时,随着滑动速度的增加,磨损机制表现为磨粒磨损、粘着磨损和严重的剥离磨损共存。摩擦磨损过程对T20Z合金磨痕附近微观组织的作用表现在随载荷与速度的增加,α相马氏体板条发生变形,晶粒发生细化现象,同时晶粒内部位错增加。真空环境下,T20Z合金的摩擦系数在0.3到0.48之间变化。当滑动速度不变时,摩擦系数和磨损率均随着载荷的增加而增大。当载荷相同时,摩擦系数随滑动速度呈先增大后减小的趋势,在速度为0.59 m/s时的摩擦系数最小。其磨损率则随着滑动速度的增大而单调递增。此时的磨损机制为:随着载荷的增大,磨损机制由磨粒磨损转变为严重的磨粒磨损、剥离磨损和塑性变形共存。而随着滑动速度增大,磨损机制由轻微的粘着磨损和严重的磨粒磨损向严重磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损转变。T20Z合金在高温环境下的摩擦磨损性能的结果表明,其磨损率开始随着温度的升高而增大,当温度超过473 K的临界温度时,磨损率则随温度的升高而减小,在673 K时的磨损率最小。在开展Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5非晶态合金摩擦磨损试验时发现,摩擦副材料对钛锆基非晶合金的摩擦磨损性能影响较大。钛锆基非晶与钛锆基非晶对磨时摩擦系数最低(0.13~0.21)而与AISI 5120钢对磨后的摩擦系数最高(0.23~0.30)。但磨损率则随着载荷或滑动速度的增加而增大。此时的磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损共同存在。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23
【图文】：

示意图,示意图,轮副,摩擦学行为

点研究发展计划（973 计划）项目“航天机下进行，以钛锆基合金中的 Ti20Zr6.金为研究对象，开展多种摩擦学条件及环摩擦学行为及磨损机制变化规律，评估钛及稳定性，同时为航天器长寿命设计提供理论与分类分类可能绝对的光滑，在表面会有很多微凸体力作用，当两个物体之间存在相对滑动，如，机械结构中齿轮副之间的啮合运动会生摩擦；海洋舰船在航行过程中，船体表

二体磨损,三体磨损,磨粒磨损,形式

图 1-3 磨粒磨损的形式：(a) 二体磨损，(b) 三体磨损Fig.1-3 Type of abrasive wear: (a) Two-body abrasive wear, (b) Three-body abrasive wear二、粘着磨损：当两个物体相互接触，因为微凸体的存在，在刚开始的阶段为点接触。通常情况下，对磨表面的实际接触面积仅仅有表观面积的千分之一到百分之一。在摩擦过程中由于点接触会产生很大的赫兹应力，同时摩擦产生巨大的热量。这二者会使得表面接触产生粘着到破坏到再粘着的交替过程。这种交替变化的过程就构成了粘着磨损。按照粘着磨损严重程度来划分，可以分为以下几类：（1）轻微粘着磨损：当粘着的结点强度低于对磨材料的剪切强度时，剪切一般发生在结合面上。这种情况下摩擦系数很大，但是磨损却不大，材料发生转移不明显。通常在金属的表面具有氧化或硫化膜时会发生轻微的粘着磨损。（2）一般粘着磨损：当粘着的结点强度高于对磨材料中硬度较低的材料的剪切强度，材料的破坏发生在离该材料结合面不远处的表层内，所以会发生由较软对磨材料向较硬材料转移的现象。一般粘着磨损的摩擦系数与第一种差别不大，但是磨

【参考文献】