钛合金磨损行为及磨损机理的研究

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导师姓名
王树奇
学科专业
材料学
文献出处
江苏大学   2014年
关键词
钛合金论文  磨损行为论文  磨损机理论文  摩擦层论文  摩擦氧化物论文
论文摘要

钛合金因优异的性能而得到了广泛的应用,然而其公认的低滑动耐磨性,严重阻碍了其应用。同时,对钛合金自身滑动磨损的研究极其有限,到目前为止,仍然对钛合金滑动磨损行为和磨损机制缺乏全面和深入的了解。因此,研究钛合金的干滑动磨损行为和磨损机制具有重要的理论意义和实用价值。本文系统研究了TC4和TC11两种典型钛合金在不同工况条件和对磨材料下的磨损行为和磨损性能。采用SEM、EDS和XRD等对磨损表面、剖面和磨屑的形貌、成分和结构进行了全面的观察和测试,探讨了钛合金的磨损机制,重点研究了钛合金的摩擦层和摩擦氧化物及其对磨损行为的影响和作用机理。结果表明,两种典型钛合金的磨损行为具有共性。当温度为25℃-300℃时,大多数情况下,磨损率均随载荷的增加而增加。400℃磨损率降低,且在50-250N时随载荷的增加略有波动;少数情况下在250N磨损率突然大幅增加。在500℃-600℃,除钛合金/W6Mo5Cr4V2体系中500℃、250N外,磨损率均大幅降低,且达到极低的值。高温下,TC11合金的磨损率低于TC4合金的。更重要的是,两种典型钛合金随着温度增加均发生严重-轻微磨损转变,这明显不同于钢和其它金属合金。钛合金在临界条件以下具有差的耐磨性;而在临界条件以上具有优异的耐磨性。同时发现,对磨材料对钛合金的磨损率有显著影响,但对磨损机制的影响相对较小。在400℃-600℃,在钛合金/W6Mo5Cr4V2体系中钛合金的磨损率高于钛合金/GCr15体系中的磨损率。钛合金的磨损机理随工况条件的改变而变化。在25℃-300℃,大多数载荷条件下,磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主;在400℃,大多数磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和氧化轻微磨损共存;少数情况下,磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和塑性挤出磨损;在500℃-600℃,大多数载荷条件下,磨损机理为氧化轻微磨损;少数载荷条件下,磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和塑性挤出磨损。研究发现,钛合金在干滑动磨损中,摩擦层一直存在于钛合金的磨损表面,但摩擦层的成分、结构随工况条件而变,故在磨损中作用不同。摩擦层是否具有保护或减磨作用取决于摩擦层的数量、致密度和摩擦氧化物的含量。随着温度增加,摩擦层和摩擦氧化物增多,致密的摩擦层开始起到减磨作用。对于钛合金,摩擦层可区分为两类:无氧化物的摩擦层(no-oxide tribo-layer)和氧化物摩擦层(tribo-oxide layer)。在较低温度,无氧化物或含微量氧化物的摩擦层,无减磨作用;在较高温度,含少量摩擦氧化物的摩擦层具有一定程度的减磨作用;在更高温度,含大量摩擦氧化物的摩擦层具有完全保护作用。结果表明,硬的对磨材料导致摩擦氧化物层不能稳定存在,因此,对于钛合金/钢摩擦体系,轴承钢GCr15比高速钢W6Mo5Cr4V2更适合于做对磨材料。可以认为,钛合金和GCr15钢组成的滑动副是一种理想的高温摩擦副。

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 选题目的及意义

1.2 钛合金及其应用

1.3 金属的磨损分类

1.4 钛合金磨损的研究进展

1.4.1 钛合金磨损概述

1.4.2 钛合金干滑动摩擦磨损的研究

1.4.3 钛合金其它形式的磨损研究

1.4.4 提高钛合金耐磨性的相关研究

1.4.5 钛合金的磨损研究现状和存在问题

1.5 主要研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验材料选择

2.1.2 热处理工艺及显微组织

2.2 干摩擦磨损实验

2.2.1 试样制备

2.2.2 磨损实验过程及参数

2.3 测试方法

2.3.1 硬度

2.3.2 微观分析

第三章 TC4合金的磨损行为及特征

3.1 TC4合金与GCr15(36-40HRC)对磨时的磨损行为

3.1.1 TC4合金的磨损率

3.1.2 TC4合金磨损表面的结构

3.1.3 TC4合金磨损表面的形貌

3.1.4 TC4合金磨损剖面的形貌

3.1.5 磨屑形貌及成分

3.1.6 磨损剖面的显微硬度

3.1.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

3.2 TC4合金与GCr15(50-52HRC)对磨时的磨损行为

3.2.1 TC4合金的磨损率

3.2.2 TC4合金磨损表面的结构

3.2.3 TC4合金磨损表面的形貌

3.2.4 TC4合金磨损剖面的形貌

3.2.5 磨屑形貌及成分

3.2.6 磨损剖面的显微硬度

3.2.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

3.3 TC4合金与W6Mo5Cr4V2对磨时的磨损行为

3.3.1 TC4合金的磨损率

3.3.2 TC4合金磨损表面的结构

3.3.3 TC4合金磨损表面的形貌

3.3.4 TC4合金磨损剖面的形貌

3.3.5 磨屑形貌及成分

3.3.6 磨损剖面的显微硬度

3.3.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

3.4 在三种摩擦体系中TC4合金的摩擦系数

3.5 在三种摩擦体系中磨盘的磨损行为

3.5.1 磨盘磨损率

3.5.2 磨盘磨面的结构分析

3.5.3 磨盘磨面形貌

3.5.4 磨盘磨损剖面形貌

3.5.5 磨盘磨损剖面成分分析

3.5.6 磨盘剖面显微硬度

3.6 TC4合金与摩擦副磨损性能的综合分析

3.7 本章小结

第四章 TC11合金的磨损行为及特征

4.1 TC11合金与GCr15(30-40HRC)对磨时的磨损行为

4.1.1 TC11合金的磨损率

4.1.2 TC11合金磨损表面的结构

4.1.3 TC11合金磨损表面的形貌

4.1.4 TC11合金磨损剖面的形貌

4.1.5 磨屑形貌及成分

4.1.6 磨损剖面的显微硬度

4.1.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

4.2 TC11合金与GCr15(50-52HRC)对磨时的磨损行为

4.2.1 TC11合金的磨损率

4.2.2 TC11合金磨损表面的结构

4.2.3 TC11合金磨损表面的形貌

4.2.4 TC11合金磨损剖面的形貌

4.2.5 磨屑形貌及成分

4.2.6 磨损剖面的显微硬度

4.2.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

4.3 TC11合金与高速钢W6Mo5Cr4V2对磨时的磨损行为

4.3.1 TC11合金的磨损率

4.3.2 TC11合金磨损表面的结构

4.3.3 TC11合金磨损表面的形貌

4.3.4 TC11合金磨损剖面的形貌

4.3.5 磨屑形貌及成分

4.3.6 磨损剖面的显微硬度

4.3.7 磨损表面的粗糙度及三维形貌

4.4 在三种摩擦体系中TC11合金的摩擦系数

4.5 在三种摩擦体系中磨盘的磨损行为

4.5.1 磨盘磨损率

4.5.2 磨盘磨面的结构分析

4.5.3 磨盘磨面形貌

4.5.4 磨盘磨损剖面形貌

4.5.5 磨盘剖面线扫描成分分析

4.5.6 磨盘剖面显微硬度

4.6 TC11合金与摩擦副磨损性能综合分析

4.7 本章小结

第五章 钛合金磨损机理及磨损相关问题的讨论

5.1 钛合金的磨损机制转变

5.1.1 其它金属合金的轻微-严重磨损转变

5.1.2 钛合金的严重-轻微磨损转变

5.2 钛合金摩擦层和摩擦氧化物的形成及作用

5.2.1 摩擦层与摩擦氧化物的形成

5.2.2 摩擦层与摩擦氧化物的作用

5.3 钛合金的磨损机理

5.3.1 临界条件以下的磨损机理

5.3.2 临界条件时的磨损机理

5.3.3 临界条件以上的磨损机理

5.4 钛合金磨损的共性规律

5.4.1 TC4和TC11合金在给定摩擦体系中磨损性能的比较

5.4.2 TC4合金在不同摩擦体系中的磨损性能比较

5.4.3 TC11合金在不同摩擦体系中的磨损性能比较

5.5 磨盘材料和硬度对摩擦氧化物层的影响

5.6 钛合金和钢磨损行为的对比研究

5.7 本章小结

第六章 结论与创新点

6.1 结论

6.2 创新点

参考文献

致谢

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