T10/20CrMnTi摩擦副的干滑动摩擦影响层的组织结构演化及扩散行为

【摘要】滑动摩擦过程中的剪切应力和摩擦热的耦合作用诱发的摩擦副材料表面和次表层的组织形变、相变、晶粒超细化甚至元素扩散会严重影响其摩擦学行为，进而影响其可靠性和寿命。因此，研究摩擦诱导的表层材料组织、性能以及成分的演化，对设计和研发新的摩擦学材料和表面工程技术、为提升摩擦学系统的可靠性、改善摩擦副寿命具有较高学术价值和指导意义。本文以T10钢和20CrMnTi钢为研究对象，分别研究了正火态T10/淬回火态20CrMnTi、淬回火态T10/淬回火态20CrMnTi以及淬回火态20CrMnTi/渗铬T10三对摩擦副的干滑动摩擦磨损行为、摩擦影响层(SFIDL)的形貌及其纳米硬度和剪切变形量，分析了摩擦影响层中的晶粒细化和对偶材料中的元素向配副体的摩擦影响层的扩散行为，FEM模拟研究了摩擦表面的温升，探讨了摩擦影响层的形成机理及元素的扩散机理。获得如下主要结论：研究了三对摩擦副的摩擦学行为。正火态T10销/淬回火态20CrMnTi盘组成的摩擦副的摩擦系数均随载荷和转速的增大而降低，销试样的磨损远大于盘试样的磨损。相对于正火态T10/淬回火态20CrMnTi摩擦副，淬回火态T10/淬回火态20CrMnTi摩擦副的摩擦系数较稳定，耐磨性提高。淬回火态20CrMnTi销/渗铬T10盘组成的摩擦副的摩擦学性能较未渗铬盘的有明显提高。研究了三对摩擦副的干滑动磨损机理。正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘组成的摩擦副，销试样的磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主并伴随氧化磨损，盘试样的磨损机理则以粘着磨损为主；淬火态T10钢销试样的硬度提高使得其摩擦表层局部破裂和部分剥落。与渗铬T10钢盘试样配对的20CrMnTi销试样的磨损机理从粘着磨损+磨粒磨损转变为以粘着磨损为主，渗铬T10钢盘的磨损机理主要为脆性剥落导致的磨损。研究了销和盘试样的摩擦影响层结构。正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘摩擦副双方的摩擦影响层由机械混合层（MML）层和严重塑性变形层（PDL）组成；淬回火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘摩擦副双方的摩擦影响层均仅PDL层，难以观察到MML层；淬回火态20CrMnTi钢销/渗铬T10钢盘摩擦副的盘未形成摩擦影响层，摩擦诱发了渗铬层的断裂或破损，而销的摩擦影响层也仅有PDL层。研究了正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘组成的摩擦副的摩擦影响层的硬度和变形量。销试样的摩擦影响层的纳米硬度随距磨损表面的深度增加而降低，最高硬度达到约10.36GPa；销和盘试样的等效应变随距磨损表面深度的增加也均逐渐减小。硬度较高的盘试样的等效应变小于硬度较低的销试样的应变；淬回火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘摩擦副的摩擦影响层的纳米硬度可分为三层，即销试样的第1层硬度高于盘的硬度，第2层为硬度急剧降低层，相同深度下销试样的硬度相反小于盘的硬度，第3层为基体硬度。随距磨损表面的深度增加，销和盘试样的等效应变均逐渐减小，估算的销试样的等效应变始终大于盘试样的应变；与淬回火态20CrMnTi钢销试样配副的渗铬T10钢盘试样在0-5μm处的纳米硬度较未渗铬T10盘试样的纳米硬度高。采用ABAQUS软件模拟了正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘的摩擦温升。销和盘试样的摩擦表面温升随载荷、转速增加而升高，接触表面的最高温度可达374.2℃。研究了正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘组成的摩擦副的摩擦影响层的晶粒细化现象。随载荷和转速的增大，销试样磨损表层的渗碳体出现碎化、溶解的现象，铁素体晶粒超细化甚至纳米晶化；盘的磨损表层中的马氏体的位错密度增加，马氏体片层出现超薄化。在转速200rpm和载荷60N试验后，销试样中铁素体晶粒细化至约20nm。采用SIMS研究了正火态T10钢销/淬回火态20CrMnTi钢盘摩擦副间的原子扩散行为。20CrMnTi钢中的Cr、Ti等原子扩散进入了销试样的摩擦影响层中。转速200rpm和载荷分别为40N、50N和60N试验后，Cr原子扩散进入销的摩擦影响层的深度分别为5-7μm、10-12μm和25-30μm，Ti原子的扩散深度分别为7-8μm、10-12μm和14-15μm。结合摩擦副材料间的元素浓度差、磨损表层晶粒尺寸、位错密度及计算的摩擦温升，拟合出了盘中的合金元素在销的MML和PDL中的扩散系数D较显示，其能够较好地描述干滑动摩擦条件下钢铁摩擦副间的原子扩散行为。
【作者】王馨；
【导师】韦习成；
【作者基本信息】上海大学，材料学，2013，博士
【关键词】摩擦影响层；T10钢；20CrMnTi钢；晶粒细化；原子扩散；

【参考文献】
[1]高俊生.小学数学教师“图形与几何”领域疑难问题分析[D].东北师范大学,教育,2012,硕士.
[2]胡斯桓.“要多X有多X”格式研究[D].广西师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[3]冒昌银.UHF RFID零中频接收机混频器和压控振荡器的研究与设计[D].南京邮电大学,电路与系统,2013,硕士.
[4]沈玉萍.双脉冲波多普勒超声评价舒张期左心室节段心肌运动及邻近心室腔内血流耦合[D].川北医学院,影像医学与核医学,2013,硕士.
[5]朱柳艳.农村土地承包经营权流转机制研究[D].武汉理工大学,经济法学,2012,硕士.
[6]王旭辉.轴承齿轮材料接触疲劳试验系统的研制[D].北京交通大学,2015.
[7]倪友庆.我国轴承行业的国际竞争力研究[D].浙江工业大学,2012.
[8]崔海光.詹姆斯小说文体变化研究[D].安徽大学,英语语言文学,2013,硕士.
[9]张德新,崔巍,蒋天发.数据挖掘与人才素质评价[J].计算机工程与应用,2003,19:192-193+223.
[10]梁晓彬.智能交通服务系统设计与实现[D].河南科技大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[11]马小燕.A公司存货内部控制研究[D].湖南大学,MPAcc,2013,硕士.
[12]邓银颖.19世纪末20世纪初美国旅游业的兴起[D].东北师范大学,旅游管理,2012,硕士.
[13]刘颖.国际知识产权保护对我国出口贸易的影响及对策研究[D].安徽大学,国际贸易学,2013,硕士.
[14]周明.饲料中维生素E对团头鲂生长、免疫及抗应激的影响[D].上海海洋大学,水产养殖,2013,硕士.
[15]李兆芹.基于中尺度数值预报模式（MM5）的城市环境气象开发[D].南京气象学院,气象学,2004,硕士.
[16]华建新.宝钢2030mm冷连轧机的压下负荷分配[J].冶金自动化,1991,03:43-47+64.
[17]何明泽.纳米层组装制备石墨烯—锰钴镍纳米复合材料及其电容性质研究[D].陕西师范大学,2013.
[18]乐全明.电网高级智能故障诊断系统中关键技术的研究[D].上海交通大学,2006.
[19]张军巧.草坪机械配置决策支持系统的研究[D].北京林业大学,机械设计及理论,2003,硕士.
[20]王立建,陈亚娜.信息技术、标准与专利权[J].中国计算机用户.2003(31)
[21]章勇.石墨烯的制备与改性及在抗静电涂层中的应用[D].华东理工大学,化学工程,2013,硕士.
[22]朱华.不确定参数下混沌系统的控制与同步[D].浙江工业大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[23]刘思.社会管理创新的宪法学研究[D].河北大学,宪法学与行政法学,2014,硕士.
[24]王瑞.基于图割理论的服装图像前景提取算法研究[D].西北大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[25]范守荣.电子商务环境下企业MIS构架及其集成实现研究[D].西南石油学院,2004.
[26]俞晓锋.基于SOA的企业信息系统集成架构研究[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[27]王永明,周磊山,吕永波.基于元胞自动机交通流模型的车辆换道规则[J].中国公路学报,2008,01:89-93.
[28]王睿.基于纳米半导体构建的电化学和光电化学传感器用于环境污染物监测研究[D].华中科技大学,2014.
[29]王阿燕.永春县农村集体建设用地使用权流转的现状、问题与对策[J].中国市场,2014,24:165-167.
[30]刘复岩.聚类在系统智能化控制中的一种应用[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2003,03:98-101.
[31]董明明.基于RTU油井远程测控系统的数据采集与传输层设计[D].西安电子科技大学,生物医学工程,2012,硕士.
[32]李振时.大部制背景下地方政府机构改革研究[D].云南财经大学,公共管理,2014,硕士.
[33]牛毅.监控联网综合代理接入系统的设计和实现[D].北京交通大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[34]何都良.纳米TiO_2制备、掺杂、负载及其光催化活性研究[D].南京气象学院,大气物理学与大气环境,2004,硕士.
[35]赵静.毒死蜱、多菌灵在杭白菊及其土壤中的残留动态研究[D].浙江大学,农药学,2013,硕士.
[36]郭立军.论民事审前准备程序之完善[D].中国政法大学,法律,2004,硕士.
[37]赵冬梅.农村中学教师专业素质结构的实证研究[D].鲁东大学,教育管理（专业学位）,2013,硕士.
[38]张勤康.基于组合评价方法的第三方物流信息平台运行绩效评价研究[D].武汉理工大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[39]殷沛沛.用于多色电泳显示的双粒子电泳悬浮液的制备和性能研究[D].浙江大学,材料科学与工程,2013,博士.
[40]白哲.我国保险资金运用的风险预警与管理探析[J].生产力研究,2015,02:31-35.
[41]王文光.锡林郭勒盟矛盾纠纷排查调处工作中的问题及对策研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[42]王燕.油画的卡通风格[D].河北师范大学,美术,2014,硕士.
[43]赵琪.海域空间层叠利用的用海兼容性研究[D].中国海洋大学,农业经济管理,2014,博士.
[44]楼墨炉,何智凡.计算机联锁设备立体防雷系统改造实践[J].铁道通信信号.2004(04)
[45]李磊.SDH多功能测试仪方案及关键模块的FPGA实现研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2010,硕士.
[46]谷龙江.两类强不定问题的无穷多小能量解[D].兰州大学,基础数学,2014,硕士.
[47]庞旭民.新疆塔城市中小学教师职业压力现状、成因及对策研究[D].西北师范大学,教育,2003,硕士.
[48]章少林.中美棉花期货市场比较分析[D].江西财经大学,金融学,2013,硕士.
[49]肖萌萌.中国OFDI的区位决定因素[D].山东大学,国际贸易学,2013,硕士.
[50]彭艳琼,杨大荣,段柱标,邓晓保.影响对叶榕及其传粉者繁殖的生态学因素[J].植物生态学报,2005,05:793-798.