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基于分子动力学模拟的多主元合金滑动摩擦学行为研究

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润滑与密封 2024年第5期49卷 36-44页

作者：宋馨怡刘秀波孟元周安张世宏中南林业科技大学材料表界面科学与技术湖南省重点实验室湖南长沙410004 安徽工业大学先进金属材料绿色制备与表面技术重点实验室安徽马鞍山243002

随着高性能多主元合金被相继开发并在摩擦学领域的应用迅速扩展,研究并揭示多主元合金的摩擦学行为至关重要。采用分子动力学模拟,构建多主元合金原子尺度滑动摩擦模型,研究FeCoCrNiCu(M1)、FeCoCrNi(M2)、FeNiCr(M3)3种多主元合金的表... 详细信息

随着高性能多主元合金被相继开发并在摩擦学领域的应用迅速扩展,研究并揭示多主元合金的摩擦学行为至关重要。采用分子动力学模拟,构建多主元合金原子尺度滑动摩擦模型,研究FeCoCrNiCu(M1)、FeCoCrNi(M2)、FeNiCr(M3)3种多主元合金的表面形貌、磨损原子、摩擦力、位错及应力的演变。结果表明:M2合金在相同的划痕深度下表面变形最小、磨损粒子数最少、法向力最大,这是由于Co元素的加入使得合金的硬度增强;M1合金展现出更剧烈的塑性变形以及更复杂的位错变形,这是由于Cu元素的加入降低了合金的硬度;M1和M2合金中产生了棱柱位错环,M3合金中却没有观察到,这是由于M3合金的堆垛层错能较低难以形成棱柱位错环。研究结果对多主元合金的开发和应用提供了参考。

关键词：多主元合金合金材料分子动力学模拟摩擦学行为纳米划痕

Nb掺杂对VN薄膜组织、力学及摩擦学行为的影响

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材料保护 2024年第5期57卷 68-75,171页

作者：蒋成燕贾金龙冯毅郭小汝刘万佳兰州工业学院材料工程学院甘肃兰州730050

为理解Nb元素的纳米复合掺杂对VN薄膜的结构、力学和摩擦学性能的影响,利用反应磁控溅射方法制备氮化钒(VN)和氮化钒铌(VNbN)薄膜,借助场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、纳米压... 详细信息

为理解Nb元素的纳米复合掺杂对VN薄膜的结构、力学和摩擦学性能的影响,利用反应磁控溅射方法制备氮化钒(VN)和氮化钒铌(VNbN)薄膜,借助场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、纳米压痕仪、摩擦试验机、光学显微镜和台阶仪等仪器对2种薄膜的微观结构、力学行为以及摩擦学行为进行了对比分析。结果表明:原子分数10.37%的Nb元素的掺杂,使得VNbN薄膜柱状晶结构的致密度更高,且表面粗糙度下降了45.26%。纳米压入结果显示,VNbN薄膜的硬度为20.47 GPa,比VN薄膜的硬度增加了7.51%,H/E和H^(3)/E^(2)值也比VN薄膜的分别高18.64%和49.25%。摩擦学分析表明,Nb的加入使得VNbN薄膜的常温摩擦学性能显著改善,其摩擦系数低至0.35,磨损率低至3.30×10^(-6)mm^(3)/(N·m);400℃及600℃高温下VNbN薄膜的摩擦系数低至0.58,同样低于VN薄膜的。但其高温时的耐磨性明显下降,这是由于Nb元素的加入并未改善VN薄膜的高温抗氧化性,高温下VNbN薄膜的硬度相比于VN退化得更快,摩擦时承载力更低,薄膜更易脱落所致。

关键词： VNbN薄膜微观组织力学行为摩擦学行为

基于端面振动加速度测量的机械密封摩擦学行为表征方法

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基于端面振动加速度测量的机械密封摩擦学行为表征方法

作者：宋运锋北京化工大学

学位级别：硕士

机械密封广泛应用于航天、核电、石化等领域,是防止旋转设备轴端密封介质泄漏的关键部件。当前机械密封状态监测手段尚显不足,过早更换密封件会增加生产成本,过晚更换会因失效而造成安全隐患。为了保证工业生产的连续性和安全性,同时降... 详细信息

机械密封广泛应用于航天、核电、石化等领域,是防止旋转设备轴端密封介质泄漏的关键部件。当前机械密封状态监测手段尚显不足,过早更换密封件会增加生产成本,过晚更换会因失效而造成安全隐患。为了保证工业生产的连续性和安全性,同时降低生产成本,亟需对机械密封端面摩擦学行为进行实时监测,进而把握密封的运行状态。针对上述问题及机械密封预测性维修需求,本文研究一种基于端面振动加速度测量的机械密封摩擦学行为表征方法。论文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)机械密封端面振动加速度来源机制研究。针对机械密封摩擦学行为监测缺乏可靠的测量方法问题,研究基于端面振动加速度测量的摩擦学行为表征方法,建立了粘性剪切和微凸体接触作用下的端面振动加速度来源数学模型,揭示摩擦学和动力学行为影响的机械密封端面振动加速度来源机制。(2)机械密封静环动态行为特性与摩擦学状态的关联规律研究。针对机械密封端面振动加速度随摩擦学状态变化规律未知的问题,设计并搭建机械密封摩擦学行为试验台,探究端面振动加速度有效值随转速、密封介质压力、端面表面粗糙度的变化规律。(3)机械密封端面振动加速度早期失效检测方法研究。针对机械密封运行中早期失效预警难的问题,研究基于模糊支持向量数据描述的机械密封早期失效检测方法。(4)机械密封端面性能状态监测应用研究。针对机械密封预测性维修的工程实际问题,将静环嵌有振动传感器的机械密封安装在某输油站输油泵上,验证基于端面振动加速度测量的机械密封摩擦学行为表征方法的有效性。提出基于端面振动加速度的机械密封摩擦学行为表征方法,准确实现机械密封的状态监测,对于实现机械密封的预测性维修,避免泄漏防控失效引起的灾难性事故发生具有重要的理论和工程应用价值。

关键词：机械密封振动加速度摩擦学行为早期失效检测

车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

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摩擦学学报 2022年第6期42卷 1083-1093页

作者：王志伟张亮莫继良王开云西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所四川成都610031 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.... 详细信息

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性.然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为.基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律.结果表明:车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈.此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大.因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响.该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.

关键词：高速列车摩擦学行为车轮多边形磨耗制动系统热机耦合

近单一FCC相AlCoCrFeNi高熵合金的常温摩擦学行为及典型磨损机制

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摩擦学学报 2023年第2期43卷 197-208页

作者：王奕迪李晓倩陈端杰梁爱民中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 重庆长安工业(集团)有限责任公司重庆401120

采用SRV-Ⅳ型微动摩擦磨损试验机对近单一面心立方(FCC)相AlCoCrFeNi高熵合金及其抛丸试样在常温下的摩擦磨损性能和行为进行了较详细的考察. AlCoCrFeNi高熵合金的磨损量随摩擦频率和法向载荷的变化均大体呈现正相关性.随着摩擦频率升... 详细信息

采用SRV-Ⅳ型微动摩擦磨损试验机对近单一面心立方(FCC)相AlCoCrFeNi高熵合金及其抛丸试样在常温下的摩擦磨损性能和行为进行了较详细的考察. AlCoCrFeNi高熵合金的磨损量随摩擦频率和法向载荷的变化均大体呈现正相关性.随着摩擦频率升高(6~40 Hz),该高熵合金摩擦界面的原子排列由主要沿(100)晶面逐渐转变为沿(111)晶面,表现出显著的择优取向,其主要磨损机制由氧化磨损和分层磨损逐步过渡到塑性变形和分层磨损;拉曼光谱分析表明该合金在各摩擦频率(除30 Hz外)下形成的磨痕中存在复杂氧化物,其结晶构造与Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)相似.随着法向载荷不断增大(10~200 N),该合金摩擦界面的晶粒更加细化,摩擦界面的原子排列更加趋向沿(111)晶面,其主要磨损机制由氧化磨损过渡到疲劳磨损,最终转变为黏着磨损.由于细晶强化作用,经抛丸处理后该AlCoCrFeNi高熵合金表面显微硬度达403 HV,相比抛丸前提高近1倍.抛丸处理形成的表面强化层有利于降低合金的磨损,其厚度约为25μm.随着摩擦时间延长,该高熵合金抛丸试样的主导磨损机制由塑性变形和分层磨损逐渐转变为同时出现一定程度的氧化磨损;其中,塑性变形和分层磨损机制的组合能导致该合金抛丸试样发生零磨损行为.近单一FCC相AlCoCrFeNi高熵合金及其抛丸试样因其特殊的元素组成和原子排布表现出丰富而典型的磨损行为和机制.本研究阐明了该高熵合金在常温下的几种典型磨损机制,评估抛丸处理对其造成的实际影响,为该体系高熵合金和含有FCC相的复合结构高熵合金在磨损防护领域的合理运用及深入理解其使役行为提供重要依据.

关键词：面心立方 AlCoCrFeNi 高熵合金摩擦学行为磨损机制

不同分子结构聚酰亚胺固-液复合摩擦学行为与润滑机理研究

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摩擦学学报 2023年第4期43卷 397-409页

作者：李哲段春俭高传平张晟卯张平余王廷梅王齐华河南大学纳米材料工程研究中心河南开封475004 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000

设计合成了一种新型热固性聚酰亚胺(TPI)材料,利用DMA242C型动态热机械分析仪、万能试验机以及接触角测量仪等对其机械性能、热学性能以及表面基础油PAO10的润湿性能进行表征,并与商业化的热塑性聚酰亚胺YS-20作对比,考察了两种不同分... 详细信息

设计合成了一种新型热固性聚酰亚胺(TPI)材料,利用DMA242C型动态热机械分析仪、万能试验机以及接触角测量仪等对其机械性能、热学性能以及表面基础油PAO10的润湿性能进行表征,并与商业化的热塑性聚酰亚胺YS-20作对比,考察了两种不同分子结构的聚酰亚胺(PI)在PAO10润滑下的摩擦学行为.球-盘摩擦试验结果表明,无论是在模拟的多次“启-停”往复运动,还是模拟一次“启-停”的旋转接触运动,TPI与PAO10的固-液复合体系均具有优异的抗磨减摩性能,主要归因于TPI与PAO10之间较好的润湿性与物理吸附作用.通过分子动力学模拟的方法,进一步验证了空间化学交联TPI的空间化学交联结构增强了其表面与PAO10之间的物理吸附作用,有助于提高边界膜的构筑速度与承载能力,进而改善了两者复合体系的摩擦学行为.

关键词：聚酰亚胺分子结构基础油固-液复合润滑摩擦学行为

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

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摩擦学学报 2023年第11期43卷 1273-1284页

作者：刘启昂莫继良项载毓陈伟张棋翔周仲荣西南交通大学机械工程学院四川成都610031 广西大学机械工程学院广西南宁530004

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征,揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律,保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰,难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能... 详细信息

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征,揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律,保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰,难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估,亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此,基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台,通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验,测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明,未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率,而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现,随着法向载荷或往复滑移频率的增加,振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加,而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势,存在明显差异.因此,该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦,为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.

关键词：摩擦学行为摩擦振动振动解耦气浮轴承试验装置

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粉末冶金Ti-xNb-5Sn骨科合金的摩擦学行为

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材料导报 2022年第21期36卷 138-142页

作者：颉芳霞杨豪黄家兵何雪明俞经虎江南大学机械工程学院江苏无锡214122 江苏省食品先进制造技术与装备重点实验室江苏无锡214122

本工作采用粉末冶金方法制备了Ti-x Nb-5Sn(x=13%、16%、18%、20%,质量分数)合金,研究了Nb含量对其微观组织和摩擦学行为的影响规律。结果表明:粉末冶金法制备的Ti-x Nb-5Sn合金是典型的α+β型钛合金,α相随着Nb含量的增加逐渐减少,Nb... 详细信息

本工作采用粉末冶金方法制备了Ti-x Nb-5Sn(x=13%、16%、18%、20%,质量分数)合金,研究了Nb含量对其微观组织和摩擦学行为的影响规律。结果表明:粉末冶金法制备的Ti-x Nb-5Sn合金是典型的α+β型钛合金,α相随着Nb含量的增加逐渐减少,Nb含量为20%时β相的衍射峰成为主峰。合金的硬度和弹性模量随着Nb含量的增加而下降,分别在271HV~319HV和68~73 GPa之间变化。合金的摩擦系数随着Nb含量增多而提高,Ti-13Nb-5Sn合金的摩擦系数最小(0.41),Ti-20Nb-5Sn合金的摩擦系数最大(0.48)。合金的磨损率为1.36×10^(-3)~1.58×10^(-3)mm 3/(m·N)。随着Nb含量增多,合金的磨痕深度增加,分层现象逐渐加剧,并且有微裂纹出现。Ti-13Nb-5Sn合金的磨损机制为磨粒磨损,Ti-16Nb-5Sn合金和Ti-18Nb-5Sn合金以磨粒磨损为主、表面疲劳磨损为辅,而Ti-20Nb-5Sn合金以表面疲劳磨损为主。本研究证实Nb是一种β稳定剂,加入适量Nb可以降低合金的弹性模量,同时使其具有良好的耐磨性。粉末冶金制备的Ti-x Nb-5Sn合金是一种具有发展潜力的骨科修复材料。

关键词： Ti-Nb-Sn合金粉末冶金微观组织摩擦学行为

Ni、Y复合石墨烯作为润滑油添加剂对GCr15钢摩擦学行为的影响

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陕西科技大学学报 2022年第1期40卷 133-139页

作者：师晶赵润强王琬瑢徐颖强西北工业大学机电学院陕西西安710072 陕西科技大学机电工程学院陕西西安710021 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

以高定向热解石墨为原料,采用高能球磨法制得多层石墨烯,以及Ni、Y金属颗粒复合多层石墨烯.通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射光谱对上述多层石墨烯及Ni、Y复合多层石墨烯进行形貌和结构表征.分别将上述多层石墨烯及Ni、Y复合多... 详细信息

以高定向热解石墨为原料,采用高能球磨法制得多层石墨烯,以及Ni、Y金属颗粒复合多层石墨烯.通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射光谱对上述多层石墨烯及Ni、Y复合多层石墨烯进行形貌和结构表征.分别将上述多层石墨烯及Ni、Y复合多层石墨烯加入聚α烯烃PAO6中,系统考察分散液对GCr15自配副界面摩擦学行为的影响.结果表明:利用球磨法能够制备多层石墨烯,同时,Ni、Y金属颗粒能够与多层石墨烯形成纳米复合结构.GCr15钢自配副在聚α烯烃PAO6油润滑条件下,向油中添加多层石墨烯及Ni、Y复合多层石墨烯后,摩擦系数降低至0.03~0.05.

关键词：多层石墨烯 Ni、Y复合多层石墨烯高能球磨法润滑油添加剂摩擦学行为

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