钨合金超声辅助划擦试验及仿真研究

目的 揭示钨合金在超声辅助磨削加工下的材料去除行为。方法 通过超声辅助划擦试验与有限元仿真相结合的方式,分析超声振动作用对材料表面形貌、截面轮廓、划擦力、温度、塑性应变及应变率的影响,探究超声振动作用下的材料去除和表面创成机理。结果 钨合金在划擦过程中发生严重的塑性变形,在划痕两侧出现由耕犁作用而形成的隆起现象。超声辅助划擦形成的划痕表面鳞刺更少且未出现犁沟现象,且划痕深度相较于普通划擦增大14.1%,划痕宽度增大39%。随着划擦深度的增加,试验划擦力与仿真划擦力均线性增大,且仿真值与试验值误差为18.1%,验证了有限元仿真模型的有效性。超声振动作用下的划擦力呈周期性变化特征,使平均划擦力降低了43.2%。此外,仿真结果表明,超声辅助划擦相较于普通划擦,温度最高降低50%,表面塑性应变最高降低20%,超声冲击过程中材料的塑性应变率相较于普通划擦提高1个数量级,分离过程中塑性应变率最大降低2个数量级。结论 超声振动作用可以有效降低划擦过程中的划擦力和划擦区域温度,增大冲击过程中材料的瞬时应变率,改善压头的切屑黏附现象,从而抑制划擦表面鳞刺的生成和犁沟的形成,改善表面质量。此外,超声振动作...     

钠钙玻璃的单磨粒变切深划擦表面完整性实验

以玻璃为代表的硬脆材料由于其高硬度、高脆性等特点,使其在加工过程中极易出现凹坑、脆性破碎及表面/亚表面裂纹等损伤,严重影响其使用性能和表面完整性。从单磨粒变切深划擦实验着手,研究在单磨粒划擦过程中速度变化对钠钙玻璃表面裂纹生成与扩展以及表面完整性的影响。结果表明：单磨粒变切深划擦实验能够实现磨削过程中的划擦、耕犁、切削3个阶段,且随着划擦速度增加,钠钙玻璃发生脆-塑转换的临界深度增加,划痕形貌及划痕边缘光滑度提升。     

(0001)面氧化锌单晶微纳米尺度划痕特性实验研究

目的 对(0001)面ZnO单晶微纳米尺度划痕特性进行实验研究,为ZnO单晶器件性能提升及ZnO单晶精密加工工艺优化等提供必要的科学依据。方法 采用Berkovich金刚石压头棱向前和面向前2种划痕方式,在不同划痕速度下对(0001)面ZnO单晶进行了纳米划痕实验,分析了划痕速度和划痕方式对其微纳米尺度划痕特性的影响。结果 当划痕速度从2 µm/s增加到100 µm/s时,棱向前划痕方式下的深度从352.9 nm降到了326.9 nm,面向前划痕方式下的深度从352.7 nm降到了289.9 nm;棱向前划痕方式下的切向力从4.15 mN降到了3.93 mN,面向前划痕方式下的切向力从5.12 mN降到了4.45 mN;棱向前划痕方式下的摩擦因数从0.21降到了0.19,面向前划痕方式下的摩擦因数从0.25降到了0.2;棱向前划痕方式下的残余划痕深度从162.2 nm降到了138.4 nm,面向前划痕方式下的残余划痕深度从148.3 nm降到了129.9 nm;棱向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从23 nm降到了17 nm,面向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从18 nm降到了11 nm。结论 随划痕速度的增加,(0001)面ZnO单晶的划痕深度、切向力、摩擦因数、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度均在下降。在相同划痕速度下,棱向前划痕方式下的划痕深度、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度都比面向前划痕方式下的要大,而棱向前划痕方式下的切向力和摩擦因数都比面向前划痕方式下的要小。     

纳米尺度单晶锗各向异性摩擦磨损性能试验研究

利用纳米压痕仪和原子力显微镜,分别对单晶锗Ge(100)、Ge(110)、Ge(111)3种晶向的表面进行纳米尺度下的摩擦磨损试验。在较大载荷的条件下,3种不同晶面取向的单晶锗磨损情况均呈现沟槽形式,沟槽两侧出现明显的碎屑堆积现象。在划痕试验过程中,单晶锗的磨损性能受晶面取向影响较小;单晶锗的摩擦力随着滑动速度的增加而增加。而且,随着滑动速度的增大,晶体表面出现严重的磨损-沟槽损伤,沟槽两侧碎屑堆积的体积也越来越大,沟槽的深度也逐渐增大;单晶锗在较低载荷下,摩擦力基本保持稳定,但随着载荷的增大,单晶锗的摩擦力呈非线性增长,载荷增大一定值时,晶体表面发生明显的由塑性变形向脆性破坏转变的脆塑转变过渡过程,导致单晶锗表面发生脆性剥离,形成沟槽两侧碎屑堆积。     

高体积分数SiCp/Al复合材料超声辅助划切微观去除机理

目的 揭示高体积分数SiC_p/Al复合材料在超声辅助加工条件下的材料去除机理。方法 采用SiC_p/Al复合材料的超声辅助划切试验,探究划切参数变化对超声振幅、划切力及摩擦因数的影响规律,并通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对划痕表面微观形貌进行观察,分析单点金刚石磨粒工具超声辅助划切材料去除的特点。结果 随着划切深度从0.01 mm增加到0.05 mm,电流值逐渐降低,电流值变化量从12 mA增加到25m A,超声振幅逐渐衰减,金刚石压头的轴向冲击作用减弱。划切深度和划切速度的增加使切向挤压切削作用增强,划切力和摩擦因数增大。在材料去除过程中,碳化硅颗粒存在破碎成小颗粒、剪切断裂破碎和拔出等多种去除形式,铝基体出现明显的塑性流动和涂覆现象,并形成切削沟槽外侧堆积。结论 当切削深度和进给速度较小时,材料去除主要是在轴向的高频振动冲击作用下完成,材料表面加工质量较好;当切削深度和进给速度逐渐增大时,材料去除是在轴向冲击破碎和切向挤压切削共同作用下完成,材料表面加工质量逐渐降低。     

法向载荷和速度对β-HMX晶体纳米划痕性能的影响

目的 揭示β-HMX晶体在微观尺度下的摩擦和磨损特性。方法 对β-HMX晶体进行镶样抛光,并使用圆锥形金刚石探针在纳米划痕仪上进行定载划痕试验,获得β-HMX晶体在不同法向载荷和滑动速度下的划入深度、残余深度和摩擦因数,再通过光学显微镜表征晶体的表面损伤形貌。结果 当法向载荷从0.5 mN增加到3.5 mN,β-HMX晶体表面摩擦因数约增大2倍,划入深度和残余深度也明显增加,晶体表面发生从弹性变形到塑性变形再到脆性去除3个阶段。当滑动速度从5 μm/s逐渐增加到100 μm/s时,β-HMX晶体表面的摩擦因数减小约17%,划入深度和残余深度缓慢降低,晶体表面损伤形貌无明显区别。结论 β-HMX晶体的摩擦因数随法向载荷的增加而增大,随滑动速度的增加而减小,且黏着摩擦因数大于犁沟摩擦因数。随着法向载荷的增加,划痕的划入深度和残余深度增加,弹性恢复率减小。随着滑动速度的增加,划痕的划入深度和残余深度减小,弹性恢复率增加。另外,随着法向载荷的增加,晶体的损伤形式经历从弹塑性变形到脆性破坏的转变,而随着滑动速度的增加,损伤情况变化不明显,表面损伤机制表现为机械性损伤与去除。     

单颗金刚石划擦玻璃的实验研究

本文利用自行制备的单颗粒金刚石工具划擦普通玻璃,观察不同划擦深度的划痕形貌并进行统计分析,同时采集和分析了划擦过程中的磨削力。实验结果表明,划痕的实际宽度与理论宽度有相同的变化趋势。随着切深的增加,实际宽度与理论宽度趋于比较恒定的比值。当划擦磨粒不变时,单颗磨粒的法向磨削力和切向磨削力都随着划痕长度的增加而线性增加。     

单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起位错的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。     

基于纳米划刻实验的单晶锗切削机理的研究

本文选用 Berkovich 压头,使用纳米压痕仪对单晶锗进行了变载荷纳米刻划试验,利用SEM观测了刻划过程中沟槽表面形貌特征,将划刻过程中材料的去除机制分为延性域、脆塑转变域和脆性域三个阶段,并分析了在各个阶段的力学特征。根据断裂力学理论,以切向力的首次下降作为脆塑转变发生点,由此获得单晶锗脆塑转变的临界载荷及临界深度,并分析了裂纹的产生与扩展过程。对于纳米划刻过程中法向力、切向力、摩擦因数与划刻深度的函数关系进行非线性拟合,由相关系数的计算结果表明,划刻力与划刻深度之间存在强相关性。基于赫兹接触理论计算单晶锗划刻过程中临界弹塑转变深度,其大小为1.33 nm。基于脆朔转变临界载荷,建立了表征单晶锗材料脆塑转变临界深度的表达式,结果表明其脆塑转变临界深度为561 nm。由此对于单晶锗划刻过程中不同阶段确立了量化区分方法。     

基于纳米划痕仪的单晶锗多次刻划力学特性实验

为深入理解单晶锗的纳米切削特性,提高纳米锗器件的光学表面质量,使用纳米划痕仪对单晶锗进行多次刻划实验研究,并测得其在刻划过程中的切削力、摩擦因数。利用扫描电子显微镜(SEM)观测沟槽的显微形貌及切屑堆积情况,使用原子力显微镜(AFM)检测其多次刻划过程中的弹性模量及表面粗糙度。结果表明:随着刻划次数的增多,切削力、摩擦因数,表面粗糙度均在逐渐增大,而弹性模量在逐渐变小,这些现象产生的根本原因是在刻划过程中位错的产生及单晶锗晶格遭到破坏引起的能量波动。此外,随着刻划次数的增加,沟槽两侧的切屑堆积越来越明显。     

Prediction of the threshold load of dislocation emission in silicon during nanoscratching

This paper establishes an analytical model to predict the normal threshold load that causes the emission of partial dislocations in silicon during nanoscratching. In the modeling, the deformation mechanisms and the sequence of microstructural changes already explored by experiment and molecular dynamics will be exactly followed; that is, with increasing the normal load of nanoscratching, phase transformation first takes place, followed by partial dislocation emission from the interface between the phase transformed zone and the original crystalline silicon when the scratching load reaches its threshold. The model postulates that the emission process represents the generation of a dipole of Shockley partial dislocations. One partial dislocation of the dipole, located at the interface, is considered immobile, while the other partial dislocation moves into the bulk of the crystalline silicon. The mobile partial dislocation slips along a crystallographic plane, and a stacking fault is formed in its wake. Based on the above, the threshold normal scratching load for the emission of a partial dislocation is determined by means of the energy criterion. The influence of the indenter geometry and the location of dislocation nucleation on the threshold normal scratching load is then investigated. Compared with the deformation of silicon under nanoindentation, the present study concludes that the threshold load under scratching is always smaller, and that a sharp indenter leads to a relatively smaller threshold load. The model prediction is well verified by scratching experiments.     

不同摩擦副材料对TC4合金摩擦磨损性能的影响

利用TRB³摩擦试验机采用球/平面接触形式探究TC4合金摩擦磨损性能，使用TC4合金球、GCr15钢球以及Si₃N₄陶瓷球作为对摩副探究TC4合金在不同法向载荷作用下摩擦划痕和磨损特性；通过3D激光共聚焦显微镜测量摩擦划痕形貌，建立能量磨损模型探究磨损过程中接触状态的变化机制，预测磨损进程。结果表明：随着上试样硬度的逐渐降低，球/平面的接触状态向微平面/平面的接触状态转变，摩擦划痕状态受到钛合金在压头前端位错墙和压头后端黏着颗粒的影响，划痕长度和宽度随载荷的增加线性增长，划痕深度出现“锯齿”状波动；“切削与塑性比”f_cp分布于f_cp=0.5两侧说明压头对TC4合金的损伤以微犁耕和微切削2种机制交互作用，说明划痕表面加工硬化现象对表面的保护作用，划痕硬度和表面粗糙度的关系可以预测材料变形过程中的损伤情况。     

KCJ-15扬雪机搅笼镍基喷熔复合涂层的研究

目的在KCJ-15型扬雪机搅笼NiCrBSiC合金涂层的基础上,添加硬质碳化钨颗粒,并研究其在搅笼基体上的腐蚀、磨损规律。方法制备7组碳化钨颗粒含量不同的镍基复合粉末,分别在不同腐蚀液体中进行摩擦磨损实验,随后选取抗磨性能最佳的一组,分别进行不同载荷和不同滑动速度下的摩擦磨损试验。结果在同一种腐蚀液体中,喷熔层的摩擦系数随碳化钨含量的增加变化不大,磨损率随碳化钨含量的增加先减小后增大,其中浸泡在HCl和NaCl溶液中的试块喷熔层的摩擦系数和磨损率普遍偏高,而浸泡在NaOH和H_2SO_4溶液中的试块喷熔层的摩擦系数和磨损率普遍偏低。随着载荷的增加,喷熔层的摩擦系数和磨损率增大。随着滑动速度的增加,喷熔层的摩擦系数增大,磨损率降低。结论在KCJ-15型扬雪机搅笼NiCrBSiC合金涂层中,添加碳化钨的最佳质量分数在15%~25%之间,此时可获得最佳的抗磨性能。此外,喷熔层的摩擦系数受到腐蚀液体、外部载荷和滑动速度的影响较大,受碳化钨含量的影响较小。     

等离子喷涂WC-12Co/NiCrAl复合涂层的摩擦磨损特性

以NiCrAl涂层为粘结层,用等离子喷涂工艺在TC4钛合金表面制备了WC-12Co/NiCrAl复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度仪等手段分析了涂层微观形貌、化学成分和显微硬度,并用磨损试验考察了WC-12Co/NiCrAl复合涂层的摩擦磨损特性。结果表明:WC-12Co涂层表面未熔颗粒较多,涂层截面孔隙率为10.2%;WC发生部分分解,出现W2C、Co6W6C等新相;涂层与基体结合界面为机械结合+局部微冶金结合方式;显微硬度为双态Weibull分布,呈现不同位置结构的差异化。WC-12Co涂层表现出良好的减摩及耐磨性能,同载荷下摩擦因数低于基体,磨损失重为基体的1/10,磨粒磨损是其主要磨损机制。     

YT30刀具表面磁控溅射AlTiCrN涂层的微观组织及摩擦性能

为改善刀具性能以及优化磁控溅射参数,研究了AlTiCrN涂层的制备工艺优化过程,并对其组织结构与膜基结合力进行了分析,比较了不同载荷条件下的涂层耐磨性。研究结果表明,沉积时间120 min,沉积功率200 W为较优的磁控溅射参数。AlTiCrN涂层的物相组成为AlTiCrN、Al和CrN。AlTiCrN(111)峰表现为尖锐的衍射峰结构,涂层达到了很高的结晶程度。涂层主要由三角锥结构组成,间隙内还生成了许多细小晶粒。涂层上层区域主要由柱状晶构成,下层主要由纤维晶粒构成。AlTiCrN涂层进行划痕测试发现载荷为19 N和32 N的部位出现了摩擦力突变。通过磁控溅射涂层的YT30刀具比未镀膜刀具有更低的摩擦因数,表明对刀具进行AlTiCrN涂层涂覆后能够显著改善刀具耐磨性。当加载载荷增大后,涂覆涂层的刀具磨痕深度表现出更为平缓过渡。提高载荷到5 N后,在磨痕的两侧形成了大量的磨屑,其宽度也明显增大,并未发生涂层剥落现象。     

Comparison of tribological properties of industrial low friction coatings

MX2(M= Mo, W; X=S, Se) and DLC (a-C: H and WC/C) are the two kinds of typical low friction coatings widely used in industry. The friction and wear properties of these two kinds of coatings marked as MOVIC,MOST, MoSez/Ni, WSez, a-C: H and WC/C coatings were determined by fretting tests in ambient air of different humidity. The results show that the coefficient of friction of MXz coatings increases when the relative humidity of air increases whereas the coefficient of friction DLC coatings decreases with the increasing of relative humidity. MOVIC and WSe2 coatings have a poor friction and wear resistance because of non-basal planes (100) and ( 101 ) parallel to the surface in the MOVIC coating, or the rough and porous surface of WSe2 coatings. Among these six coatings, MoSe2/Ni and WC/C eoatinas have the highest wear resistance which seems to be unaffected by the relative humidity.     

WC粉末电镀Cu预处理后热喷涂层的磨损特性

采用电镀技术,在WC粉末表面镀一定量Cu,用常规氧-乙炔焰喷涂制备WC涂层.在干摩擦条件下,对WC涂层/GCr15、45钢/GCr15摩擦副摩擦性能进行测试,SEM分析摩擦面形貌,EDS分析摩擦面元素分布.结果表明,WC涂层/GCr15摩擦副较45钢/GCr15摩擦副摩擦系数高,耐磨性远优于45钢/GCr15摩擦副;WC涂层磨损机理为脆性剥落和磨粒磨损;WC涂层/GCr15摩擦副摩擦面局部粘接,部分GCr15基材粘于WC涂层.     

WC等离子喷涂涂层摩擦磨损特性研究

采用自制的销盘式摩擦磨损试验机、光学显微镜,研究了WC等离子喷涂涂层与GCr15钢配副的摩擦磨损特性.结果表明:WC涂层的耐磨性能比基体材料(HT250)提高了两个数量级,摩擦系数高于灰铸铁,对配副材料造成的磨损率基本相当.因此,WC涂层可显著提高钢铁制动摩擦副的使用性能和使用寿命.