摩擦磨损-疲劳交互作用下的材料服役行为研究进展

摩擦磨损和疲劳的交互作用致使表面裂纹的萌生和扩展机制与单一磨损或疲劳差异显著,仅用传统的磨损或疲劳断裂理论来分析机械零件材料的摩擦磨损-疲劳问题,将与真实服役情况产生较大偏差。本文从载荷组合形式、竞争关系、摩擦层形成和寿命评估模型等方面综述了摩擦磨损-疲劳交互作用下材料服役行为的研究进展。指出综合考虑摩擦层和塑性流变对裂纹萌生和扩展的干扰效应是解决摩擦磨损-疲劳交互作用下材料服役寿命评估问题的关键。

马氏体钢干摩擦表层磨损裂纹形成的力学条件和微观机制

钢铁材料干摩擦接触表层在较高的法向载荷和滑动速度条件下将产生严重的塑性变形,其内部结构将发生演变。结构演变过程包括晶粒被拉长、细化和纳米化,这些变化将直接影响磨损裂纹的萌生与扩展行为。对干摩擦过程中的应力应变进行计算分析,采用聚焦粒子束定位切割制样(FIB)和高分辨透射表征(HRTEM)技术研究马氏体钢干摩擦过程中的结构演变力学条件和微观机制。结果表明:在干摩擦过程中产生的累积应力应变条件下,严重塑性变形层形成了纳米层片结构,裂纹将首先萌生于这些结构内部。该研究为评估干摩擦接触表层的应力应变条件、分析板条马氏体在塑性变形层的结构演变规律和揭示磨损裂纹形成机制提供了理论基础。

干摩擦应变诱导板条马氏体固态非晶化的能量分析及其模型

使用定点离子束切割制样(FIB)并根据透射电镜(TEM)表征,分析了板条马氏体钢干摩擦层内部板条马氏体协调塑性变形、演变为纳米层片结构并发生非晶化的全过程。结果表明,高密度位错缠结和缺陷集中是纳米层片结构的典型特征,这种结构产生的界面在高应变驱动下发生非晶化。这些非晶产物,为进一步细化磨屑和形成表面自润滑层提供结构条件。基于上述实验结果并结合摩擦学和材料学理论建立了干摩擦过程中的非晶化形核模型,计算了发生非晶化的热力条件和能量壁垒。结果表明,根据经典形核理论和晶体向非晶转变的吉布斯自由能壁垒计算公式所建立的干摩擦非晶化形核能量模型,可用于计算发生非晶化必需的临界位错密度值。根据对应的计算结果,可控制摩擦条件用干摩擦应变诱导板条马氏体的固态非晶化。