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氧化性湿热气氛环境中钢/铜摩擦副摩擦学性能研究

作　者: 袁文征
导　师: 邱明
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 湿度气氛钢/铜摩擦副温度摩擦磨损机理
分类号: TG115.58
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着科学技术的发展和工业的进步,特殊工况条件下的材料摩擦学问题越来越突出。其中,特殊环境气氛下的极端工况摩擦学问题是摩擦学、材料学、物理化学、传热学等多学科交叉的前沿研究内容,也是制约航空航天、军事装备、高速运输等许多重要领域发展的关键共性技术问题。本文以氧化性湿热气氛下材料的摩擦磨损性能为研究背景,以热-物理性能不同的CrNiMo钢和H59黄铜为配副材料,应用QG-700型高温气氛摩擦磨损试验机进行了大量不同环境下配副摩擦磨损性能测试,并结合扫描电子显微镜(SEM)、三维表面轮廓测试仪、EDAX能谱分析仪(EDS)和XRD对试样磨损表面形貌及元素化学状态进行了微观分析,从摩擦热-化学-机械三方面因素综合分析了气氛环境对材料摩擦学性能和磨损机理的影响规律。主要研究工作如下:自主设计并安装调试了一种密闭腔用环境湿度控制装置,解决了试验用半封闭环境气室中特殊气氛湿度控制问题,满足了试验调湿速度快、控制精度高、控制范围宽的要求,为试验的顺利进行提供了保证。通过对配副在不同湿度空气及氧气气氛环境中CrNiMo钢/黄铜配副的摩擦磨损性能测试,并结合微观分析研究了配副摩擦学性能和磨损机理随着气氛环境湿度增大的变化规律。分析表明,不同气氛环境中销试样表面生成不同特性的表面膜是导致配副摩擦磨损性能不同的主要原因,提出了摩擦副的在特殊气氛工况下的使用要求。通过对配副在常温～225℃环境温度中的摩擦学性能测试,建立了配副摩擦学性能随环境温度升高的变化规律,并通过对不同环境温度中配副磨损机制和磨损状态的分析,确定了配副磨损机制由轻微的粘着磨损向严重的粘着磨损转变的环境温度条件,提出了配副最优环境温度服役工况使用范围。通过对配副在机械和热载荷共同作用下耦合场滑动摩擦热有限元分析,得出了摩擦产生的温度场和应力场在试样表面的分布规律,并用实际试验测试结果验证了数值模拟摩擦表面温度场的正确性和准确性。数值分析结合试验验证,为配副摩擦学性能和磨损机制转变提供了依据。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 气氛环境下金属材料摩擦学性能研究现状和发展趋势  9-13
  1.3 摩擦表面化学研究现状  13-16
  1.4 课题的提出及意义  16
  1.5 课题的研究内容  16-19
第2章摩擦磨损试验及方法  19-31
  2.1 试验机原理  19-20
  2.2 试验材料  20-21
    2.2.1 销试样  20
    2.2.2 盘试样  20-21
  2.3 试验方法  21-26
    2.3.1 试验参量  21-23
    2.3.2 销盘接触方式  23-24
    2.3.3 试验方案  24-26
  2.4 微观分析  26
  2.5 气氛湿度控制装置设计  26-28
  2.6 本章小结  28-31
第3章不同湿度空气中钢/铜摩擦副摩擦学性能及磨损机理分析  31-39
  3.1 不同湿度环境中配副摩擦磨损性能分析  31-32
  3.2 不同湿度环境中磨损机制分析  32-36
    3.2.1 不同湿度环境中销/盘试样表面磨损三维形貌分析  32-33
    3.2.2 不同湿度环境中磨屑形貌分析  33-35
    3.2.3 不同湿度环境中销试样表面粗糙度及硬度分析  35-36
  3.3 不同湿度环境中摩擦化学作用机制分析  36-37
  3.4 本章小结  37-39
第4章含氧气氛中钢/铜摩擦副摩擦学性能及磨损机理分析  39-47
  4.1 不同湿度空气及氧气气氛环境中钢/铜摩擦副摩擦学性能分析  39-40
  4.2 不同湿度空气及氧气气氛环境中钢/铜摩擦副损机理分析  40-43
    4.2.1 空气及氧气气氛环境中销试样及盘试样磨损形貌分析  40-42
    4.2.2 不同湿度空气及氧气气氛中销试样表面粗糙度及硬度分析  42-43
  4.3 不同湿度空气及氧气气氛环境中配副摩擦化学作用机制分析  43-46
    4.3.1 不同湿度空气及氧气气氛环境中CrNiMo 钢能谱分析  43-44
    4.3.2 不同湿度空气及氧气气氛环境中磨屑形貌及能谱分析  44-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章不同环境温度中钢/铜配副摩擦学性能及磨损机制分析  47-59
  5.1 不同温度环境中CrNiMo 钢/黄铜配副摩擦学性能分析  47-49
  5.2 不同温度环境中CrNiMo 钢配副磨损机制分析  49-54
    5.2.1 不同温度环境中销试样和盘试样磨损形貌分析  49-52
    5.2.2 不同温度环境中磨屑形貌及能谱分析  52-53
    5.2.3 不同温度环境中钢销试样表面粗糙度及硬度分析  53-54
  5.3 不同温度环境中CrNiMo 钢摩擦化学作用机制分析  54-57
    5.3.1 不同温度环境中CrNiMo 钢表面EDS 能谱分析  55-56
    5.3.2 不同温度环境中CrNiMo 钢表面XRD 能谱分析  56-57
  5.4 本章小结  57-59
第6章钢/铜摩擦副滑动摩擦热-结构有限元分析  59-69
  6.1 ANSYS 有限元热分析简介  59-60
  6.2 摩擦生热在有限元中的计算方法  60-61
    6.2.1 摩擦热流的计算  60
    6.2.2 摩擦接触热阻处理  60-61
  6.3 有限元分析基本假设  61-62
  6.4 有限元热分析计算  62-63
  6.5 钢/铜摩擦副有限元热分析  63-67
    6.5.1 数值模拟分析前处理和求解  63-64
    6.5.2 CrNiMo 钢试样表面温度-应力分布规律分析  64-66
    6.5.3 不同环境温度下摩擦温度对配副摩擦学性能影响分析  66-67
  6.6 有限元数值模拟验证  67-68
  6.7 本章小结  68-69
第7章结论与展望  69-71
  7.1 研究结论  69-70
  7.2 论文研究的新颖点  70
  7.3 展望  70-71
参考文献  71-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间的研究成果  77

氧化性湿热气氛环境中钢/铜摩擦副摩擦学性能研究

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