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关键词： 镁合金   摩擦磨损   磨损机制   各向异性   时效析出  

摘要： 发展高性能轻量化材料是推进碳达峰碳中和、贯彻党的二十大精神的重要途径。在此背景下,镁合金作为目前工程应用中最轻和尚未被全面开发的金属材料,正受到前所未有的关注。摩擦磨损是金属失效的主要形式之一,会对镁合金零部件的使用性能和服役寿命造成不可忽视的影响。同时,在塑性成形等加工过程中,摩擦磨损也是必不可少的考虑因素。因此,有必要对镁合金材料的摩擦磨损行为进行系统且深入的研究。作为磨屑的发源地,摩擦接触面及其附近的区域（摩擦亚表层）的变形和损伤行为通过影响磨损机制最终决定镁合金的耐磨性能。但滑动接触过程中复杂的热-应力耦合作用使其中的机理问题难以被理清。在此情况下,本文分别选择传统变形镁合金和高性能稀土镁合金的典型代表（AZ31、GW83）,通过低速滑动和水冷装置降低摩擦热的作用,系统研究了摩擦学参数对镁合金摩擦磨损性能的影响;利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、3D轮廓仪、显微硬度计和拉伸实验机等设备,系统研究组织结构、力学性能等,通过分析磨损机制和摩擦亚表层微观组织的演变规律,阐明了磨损机理。研究结果可为耐磨镁合金的开发和镁合金材料的耐磨表面改性技术提供实验基础和理论依据。首先,研究了AZ31镁合金轧制板材在不同法向载荷（100 N-800 N）下的摩擦磨损行为的影响。结果显示,在100 N-800 N载荷范围内,随着载荷的增大,AZ31镁合金轧制板材的磨损率由6.8×10-2 mm3/m逐渐增加至15.3×10-2 mm3/m,摩擦系数由0.2948下降至0.2335。摩擦磨损性能的变化与磨损机制的演变有关,在100 N-200 N,磨损机制以磨粒磨损为主,此时摩擦变形层厚度为99μm-150μm;在300 N时,以磨粒磨损和轻微剥层磨损为主,此时摩擦变形层厚度变化不大;400 N-500 N,磨损机制以剥层磨损为主,此时摩擦变形层厚度为192μm-200μm;在600 N时磨损机制以剥层磨损和严重塑性变形为主;700 N-800 N,磨损机制以严重塑性变形为主,此时摩擦变形层厚度迅速增加至316μm-349μm。其次,研究了在300N时,不同滑动时间（50 s-4800 s）对AZ31镁合金轧制板材摩擦磨损行为的影响。结果表明,当载荷为300 N时,随着滑动时间的延长,AZ31镁合金轧制板材的磨损率近似线性增长。在50 s-600 s内,合金的磨损机制以磨粒磨损为主;滑动时间为1600 s-4800 s,磨损机制转变为剥层磨损,且随着滑动时间的延长,剥层磨损的程度逐渐增加;当滑动时间超过2400 s后,剥层磨损的程度基本保持不变。再次,通过滑动方向对AZ31镁合金轧制板材摩擦磨损和摩擦变形行为的影响,对其摩擦学各向异性行为进行分析。结果表明,AZ31镁合金轧制板材的摩擦磨损性能存在各向异性,延平行于轧制方向滑动（记为“∥RD”）时的磨损率显著低于垂直于轧制方向滑动（记为“∥TD”）。摩擦亚表层塑性变形行为的不同所导致的磨损机制改变是AZ31镁合金轧制板材出现耐磨性能各向异性的主要原因。∥RD方向滑动时合金亚表层的孪晶体积分数高于∥TD方向,表明其能更好地协调摩擦剪切应力造成的塑性变形,进而降低了剥层磨损的程度,提高了耐磨性能。最后,通过调整工艺参数,制备了织构弱化的GW83镁合金,研究了摩擦学参数及时效析出对镁合金摩擦磨损行为的影响。结果显示,随着滑动载荷的提高,O态和T5态GW83镁合金挤压管材的磨损率均出现先迅速增加后缓慢增加的变化趋势,磨损机制由粘着磨损和磨粒磨损逐渐转变为剥层磨损。在不同法向载荷下,T5态GW83镁合金挤压管材的耐磨性能均显著高于O态,这种变化与析出强化相降低了亚表层的塑性变形程度,进而降低了剥层磨损等机制的影响有关。

关键词： 模具钢   碳化物   磨损   三点弯曲疲劳   热疲劳  

摘要： 模具钢是现代工业发展的基石,具有较高的生产效率及较低的消耗率,是批量生产中必不可少的耗材。近些年模具钢的使用量逐年增长,涉及行业甚广(航空、医疗器械、汽车、建筑材料等),服役环境恶劣,因此对模具钢使用性能及寿命的要求有所提高。本文针对新型冷作模具钢HYC1MOD、热作模具钢H418、冷热兼作模具钢U2这三种钢的近服役性能及其损伤失效机制进行了详细研究,研究了HYC1MOD钢的磨损及三点弯曲疲劳性能及失效机理,研究了H418和U2钢的热疲劳性能及失效机理。通过摩擦磨损实验研究了新型冷作模具钢HYC1MOD的耐磨性,结合磨损失重量演变和磨损表面形貌分析探讨了其磨损机制。结果表明,HYC1MOD钢的基体组织为马氏体和碳化物,包括MC型、MC型、MC型三种碳化物。建立了新型冷作模具钢HYC1MOD的磨损加工图,根据磨损率可将磨损区域分成三块:轻微磨损、中度磨损、严重磨损。磨损机制包括磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损,随磨损时间的延长,氧化磨损逐渐占据主导。MC型尺寸差异较大,存在的大尺寸(≥3μm)长条状碳化物,易在磨损中发生开裂并剥落,可作为第三体磨料加剧磨损程度;而存在的大尺寸(≥3μm)球状碳化物磨损后会形成球冠,对磨损性能有益。通过三点弯曲疲劳实验研究了HYC1MOD钢的高周疲劳性能,结合断口形貌分析探讨了其断裂损伤机制。结果表明,HYC1MOD钢的疲劳极限为461.25 MPa。疲劳断裂模式为脆性断裂,疲劳裂纹主要起源于大尺寸富含Cr元素的MC型碳化物,并且裂纹扩展区呈现典型的“鱼眼状”。综合考虑了碳化物尺寸的应力场强度因子,建立了碳化物尺寸与疲劳寿命之间的关系式,并对疲劳寿命进行了有效预测。通过热疲劳实验研究了H418钢和U2钢的热疲劳性能,结合裂纹扩展形貌和硬度测量分析探讨了其热疲劳损伤机制。结果表明,H418钢在880-550℃下进行热循环时,随着热循环次数增加,碳化物析出增加、尺寸粗化,热循环3000次后软化明显。U2钢在780-450℃下进行热循环时,随着热循环次数增加,碳化物析出增加、尺寸粗化,热循环500次时已明显软化。H418钢在880-25℃下进行热循环时,碳化物沿奥氏体晶界和马氏体板条析出,随循环次数增加,碳化物面积占比持续增加,奥氏体晶粒迅速长大,硬度先升高后降低。U2钢在780-25℃下进行热循环时,随循环次数增加,碳化物粗化,碳化物面积占比呈现先增加后降低的趋势,这是由于大块碳化物的回溶现象,热循环500次时,U2钢已严重软化,随热循环的继续其硬度变化不大。热疲劳产生的热应力作用于钢表面,使其优先在表面产生裂纹,H418钢的疲劳裂纹主要扩展方式为穿晶扩展,在裂纹初期或尖端呈现沿晶扩展,U2钢的疲劳裂纹的主要扩展方式为穿晶扩展。

关键词： 氮化铝陶瓷   磨削参数   砂轮磨损   卷积神经网络   动态有效磨粒  

摘要： 氮化铝（Al N）作为综合性能优异的陶瓷材料,在航空航天、电子信息和新能源等领域拥有巨大的潜力和应用价值。目前,磨削加工通常作为高效去除氮化铝陶瓷加工余量的主要加工方式。然而,氮化铝陶瓷断裂韧性低,在磨削加工过程中会因磨削参数选择不当,产生裂纹和表面崩碎,后续的研磨抛光无法去除这些缺陷,并且由于砂轮在加工过程中会发生磨粒磨损、脱落等磨损形式,需经常修锐,难以实现在确保氮化铝陶瓷加工质量的前提下,砂轮进行长时间、高效率的磨削加工。因此,本文以保证氮化铝陶瓷加工质量为前提,探索能实现高效磨削加工的磨削参数,并采用此磨削参数研究砂轮磨损对氮化铝陶瓷磨削性能的影响,找出适合监测砂轮磨钝的指标,降低砂轮的修锐次数,延长砂轮的使用寿命。本文主要研究工作和成果如下:（1）通过磨削正交试验与单因素实验,并综合考虑氮化铝陶瓷表面质量和加工效率,选择磨削参数a=3μm,v=1500 m/min,v=4000 mm/min作为砂轮磨损实验参数。（2）由于氮化铝陶瓷良好的导热性,在砂轮累进磨损过程中,磨削弧区温升仅在4℃以下,因此磨削弧区温升不合适作为本文评价砂轮磨损程度的指标。（3）将温度信号的热脉冲个数作为动态有效磨粒数并结合磨削力分析,探索了砂轮累进磨损过程中平均磨粒载荷的变化,最后基于工件表面质量的考量,发现当材料累积去除量V=2115 mm时,砂轮磨钝,此时平均磨粒载荷为0.0842N,较砂轮初始状态增加了913%,该值可确定为砂轮磨钝阈值。（4）利用灰度双阈值分割法对采集的砂轮表面图进行磨屑特征提取,并依据磨屑粘附的面积占比将砂轮表面图分别分类为初期、中期和重度磨损;经研究发现,当平均磨粒载荷为0.0842N时,初期、中期和重度磨损图片占总图片的比例分别为29%,47%和24%,本文将砂轮表面图各个磨损程度的图片占比作为评价砂轮磨损程度的第二指标。（5）本文将初期、中期和重度磨损图片基于微调的Google Net模型进行训练,发现识别准确率达到95%,该方法有望实现在位智能识别砂轮磨损。

关键词： 纳米SiC颗粒   生物医用材料   Ti合金   摩擦磨损   生物学性能  

摘要： 钛合金优异的力学性能、耐蚀性能、良好的生物相容性,使其成为人体硬质组织修复、关节固定的首选材料。在服役期间,钛合金植入体无法避免会和周围的组织发生接触,产生磨损。当磨损到一定程度,产生的磨屑会发生堆积引发炎症反应,严重的可能出现植入体脱落现象,导致植入手术失败。然而,常见的钛合金磨损性能较差,无法满足上述对耐磨损性能有特定要求的植入体领域的应用。因此,迫切需要提高钛合金的耐磨损性能来解决特定植入体服役寿命短的问题。本文以高纯Ti、Cu、SiC粉末为原材料,通过微波烧结(800C)的方式制备了添加不同SiC含量的xSiC/Ti-3Cu(x=0、4、8、12vol.%)纳米复合材料,并对纳米复合材料的显微组织、力学性能、腐蚀性能、耐磨性能、抗菌性能和生物相容性进行了研究。结果表明,微波烧结的xSiC/Ti-3Cu纳米复合材料是一种多孔材料。XRD衍射图和扫描电镜和AFM结果显示,xSiC/Ti-3Cu纳米复合材料的相组成为αTi、TiCu析出相、纳米SiC。没有出现Ti C,TiSiC,Ti Si等相,说明微波烧结过程中Ti和SiC没有发生反应,SiC以弥散粒子的形式存在。添加SiC会减小Ti-3Cu合金中的TiCu相的尺寸大小。力学性能结果表明,随着SiC含量的增加,xSiC/Ti-3Cu纳米复合材料的硬度、弹性模量先升高后降低,其中8SiC/Ti-3Cu具有最好的力学性能,硬度值高达335.5HV,弹性模量为26.2GPa,和人骨的弹性模量相当。磨损实验结果表明,添加SiC明显改善了Ti-3Cu合金的耐磨性能。结合3D、2D磨损形貌图,随着SiC含量的增加,xSiC/Ti-3Cu纳米复合材料的耐磨性能先提升后下降,其中8SiC/Ti-3Cu具有最优异的耐磨性能,摩擦系数为0.17。对xSiC/Ti-3Cu纳米复合材料的磨损机理探索:Ti-3Cu主要磨损机制为严重的粘着磨损、严重的磨粒磨损、疲劳磨损;8SiC/Ti-3Cu主要磨损机制为轻微的粘着磨损、轻微的磨粒磨损,两种材料均存在氧化磨损。电化学实验结果表明,8SiC/Ti-3Cu具有最好的耐蚀性能,当SiC含量为12vol.%时,纳米复合材料的耐腐蚀性能下降了。体外相容性实验表明,xSiC/Ti-3Cu具有良好的生物相容性。抗菌实验结果表明,xSiC/Ti-3Cu均具有优异的抗菌能力,抗菌率均高于90%。同时也对腐蚀机理和抗菌机理进行了详细阐述。本次研究为开发一种高耐磨性能兼抗菌的Ti材料提供了成分设计和加工制备方法。图51幅,表13个,参考文献137篇

关键词： 非牛顿流体   喷砂器   孔眼   冲蚀磨损  

摘要： 胍尔胶溶液其性质属于非牛顿流体,携砂能力高,因此在压裂施工、钻井以及其他领域等得到广泛的应用。在加砂压裂过程中,压裂液中携带的固相支撑剂颗粒会冲击井筒内的压裂工具和射孔孔眼,从而造成压裂工具和孔眼发生冲蚀磨损。冲蚀磨损现象严重会使压裂工具失效以及对井筒完整性有一定的影响。非牛顿流体在石油化工领域起着举足轻重的作用,但目前有关其携砂冲蚀行为的研究还比较欠缺。针对井筒内加砂压裂过程,研究非牛顿流体在其中的流动和携砂冲蚀行为具有重要意义。根据压裂实际工况,建立了内流场数值计算模型;采用离散相模型对液固两相进行计算;使用Realizable k-?模型模拟湍流流动;非牛顿流体采用幂率模型;采用Oka冲蚀磨损模型模拟颗粒对壁面的冲蚀磨损作用;并应用颗粒动力学模型计算固体支撑剂的运动,同时考虑相间的耦合作用,以计算多相流的流动情况。运用数值模拟方法对牛顿流体和非牛顿流体在压裂工具喷砂器中的冲蚀行为进行对比分析,对喷砂器内流场(速度、粘度、压力、湍动能)进行对比分析;对颗粒的运动特性(颗粒撞击壁面平均速度、颗粒撞击壁面平均角度、颗粒撞击壁面数量)进行对比分析;对喷砂器内外壁冲蚀磨损形貌及冲蚀磨损率进行对比分析。分析结果表明:涡流区速度差异性不明显,主流区速度差异性较为明显;非牛顿流体的粘度值在不断变化,与剪切速率的变化成反比例对应;牛顿流体的压降、湍动能比非牛顿流体的大;牛顿流体的平均撞击壁面速度和平均撞击角度高于非牛顿流体,而撞击壁面数量相差不大;随着排量、砂比的增加,最大冲蚀磨损率也不断增加,且牛顿流体的最大冲蚀磨损率总是大于非牛顿流体的最大冲蚀磨损率。运用数值模拟方法对非牛顿流体在环空射孔段中的冲蚀行为进行研究,主要研究了孔密、射孔相位角、粒径和排量对孔眼冲蚀的影响。研究结果表明:孔眼处最大冲蚀磨损率随孔密的增加呈下降的趋势;随射孔相位角的增加呈先下降后上升的趋势,当射孔相位角为45°时,最大冲蚀磨损率最小;随粒径的增加呈先下降后上升的趋势,当粒径为0.45mm时,最大冲蚀磨损率最小;随着排量的增加呈增加的趋势。该研究对于探索非牛顿流体中颗粒的流动规律提供了有价值的参考,并为预测非牛顿流体中固体颗粒冲蚀提供了一些研究思路。

关键词： ZL109   Ti3SiC2颗粒   晶粒强化   T6热处理   磨粒磨损  

摘要： ZL109是一种近共晶Al-Si合金,具有优良的铸造性能和力学性能,在汽车发动机活塞制造以及航空航天等领域有着广泛的应用。随着交通运输行业向着大功率、高速发展,单一铝合金已经很难满足在此条件下的耐磨性能。颗粒增强铝基复合材料是一种有效提高铝基复合材料摩擦以及力学性能的方法,但传统的陶瓷颗粒由于与Al基体湿润性较差,摩擦学性能不能达到理想要求。因此,新型陶瓷颗粒MAX相增强铝基复合材料的研究和探索已经成为提高该领域的重中之重。本篇文章选用超声搅拌铸造法制备不同含量的TiSiC陶瓷颗粒增强ZL109复合材料,并对该材料进行T6热处理。研究了TiSiC颗粒及其含量以及T6热处理工艺对材料显微组织、力学性能和摩擦学性能的影响,阐明了TiSiC/ZL109复合材料和T6热处理后TiSiC/ZL109复合材料的强韧化机制和磨损机理,深入探究了显微组织、力学性能和摩擦学性能三者之间的关联性。研究结果如下:基体ZL109中存在α-Al、初生Si、共晶Si、块状AlCu和有害富Fe相α-AlFeSi,1.5wt%TiSiC对α-Al和β-Si呈现最佳细化效果,尺寸分别细化了69.3%和38.1%,同时细化了容易在末端产生应力集中的α-AlFeSi。1.5wt.%TiSiC/ZL109复合材料的硬度、屈服强度、抗拉强度提升最为明显,分别为124.6HV、125MPa、214MPa,相较基体分别提升了19%、36%和16%,强化方式主要为细晶强化;80N载荷下1.5wt.%摩擦系数较基体降低了46.2%,磨损失重降低了63.3%,表现出磨损性能最佳。磨损机制主要为磨粒磨损,同时还存在剥层磨损和氧化磨损。T6热处理后,依旧是1.5wt.%TiSiC/ZL109合金组织细化最为显著,其中多角状初生Si和针状共晶Si的形貌发生明显的类球化改变,相较热处理前的基体,Si相尺寸细化了约73.2%,对α-Al也有明显细化,同时α-AlFeSi也发生显著细化。1.5wt.%TiSiC/ZL109合金的的硬度、抗拉强度和屈服强度也呈现最佳,分别为150.57HV、254.4MPa、165.9MPa,相较热处理前的基体来说,分别提升了51.5%、62.2%、54.4%;80N载荷下1.5wt.%摩擦系数较热处理前基体降低了54.1%,磨损失重降低了78.2%,主要磨损机制为磨粒磨损。

关键词： AZ31镁合金   微弧氧化   超声冲击   耐磨性能   磨损机理  

摘要： 镁合金具有密度低、高比强度、导电导热性好等优点,在汽车、航天、军事等领域有着广阔的应用前景。但由于镁合金自身耐磨性较差,使其在工程领域的应用受到了严重限制。采用合理的表面改性工艺,对镁合金进行表面处理,提高镁合金表面摩擦磨损性能具有重要意义。本研究利用超声冲击-微弧氧化复合技术在AZ31镁合金表面制备出微弧氧化复合涂层。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）等设备对微弧氧化涂层的表面微观形貌、摩擦磨损形貌、物相结构、化学成分组成进行了研究。主要研究内容如下:（1）以微弧氧化涂层厚度和硬度作为试验指标,选取Na2SiO3浓度、电流强度、氧化时间作为试验因素进行正交试验,结合极差分析与方差分析,确定各因素对试验指标的影响程度,确定最优微弧氧化工艺参数组合。研究了在最佳工艺条件下微弧氧化涂层的生长特性与组织结构。试验结果表明:各因素对于涂层厚度和硬度影响的主次顺序分别是电流强度、Na2SiO3浓度、氧化时间,选定最优的工艺参数组合为Na2SiO3浓度10g/L、电流强度12A/dm2,氧化时间5min。微弧氧化试验主要分为阳极氧化、火花放电、微弧氧化三个工作阶段,其中火花放电阶段起弧电压为238V,微弧氧化阶段的稳定电压为297V。微弧氧化涂层与基体紧密相连,涂层厚度约为35μm,涂层相结构主要由Mg O和Mg2SiO4组成。（2）采用不同超声冲击时间（5min、10min、15min）对镁合金试样进行处理,采用微弧氧化工艺制备出微弧氧化复合涂层,对涂层组织结构与耐磨性能进行了研究。试验结果表明:冲击时间10min时,复合涂层厚度最大约为50μm,相比单一涂层提升约15μm,超声冲击前后涂层相结构相同,主要为Mg O和Mg2SiO4。冲击15min时,表面显微硬度最大为226.23HV,约为AZ31基材的2.5倍,显微硬度值随距离试样表面距离的增加逐渐呈梯度下降。冲击时间15min时涂层平均摩擦系数和磨损量最低为0.18和1.56mg,主要磨损机制为轻微的粘着磨损伴随轻微的磨粒磨损。（3）在对试样进行超声冲击处理后,采用退火回复处理的方式对试样进行热处理,随后进行微弧氧化制备出复合涂层,探究回复处理对自纳米化镁合金试样显微组织与耐磨特性的影响和回复处理对纳米化微弧氧化复合涂层摩擦磨损性能的影响。试验结果表明:回复热处理为晶界提供了热驱动能量,提升了晶界动态再结晶的生长速率,使材料表面的硬度和韧性得到提高,试样的耐磨性得到提高。回复处理后的镁合金试样纳米晶层厚度约为80μm,具有更窄的磨痕宽度（810.61μm）和磨痕深度（49μm）,回复处理后的微弧氧化复合涂层磨损失重为1.09mg,相比处理前下降了1/3。回复处理后复合涂层的平均摩擦系数更低（约为0.3）,进入稳定摩擦阶段的速率更快,涂层表面相对较完整,几乎没有产生犁沟。磨损机理主要表现为轻微的粘着磨损,表现出更加优异的耐磨性能。