38-2009-I-800合金微动磨损特性研究

核 动 力 工 程Nuclear Power Engineering第30卷 第5 期 2 0 0 9 年10月V ol. 30. No.5 Oct. 2 0 0 9文章编号：0258-0926(2009)05-0067-05I-800合金微动磨损特性研究张晓宇1，任平弟1, 2，李长香3，蔡振兵1，朱旻昊1（1. 西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，成都，610031；2. 西南交通大学，生命科学与工程学院，成都，610031；3. 中国核动力研究设计院，成都，610041）摘要：使用PLINT 微动磨损试验机研究了核电材料I-800合金在常温、法向载荷为50 N 和80 N 、位移幅值2~40 μm ，圆柱交叉接触模式下的切向微动磨损特性。

结果表明，在相同载荷下，随位移幅值增加，I-800合金微动运行经历了从部分滑移区向混合区和滑移区的规律性转变。

混合区和滑移区的摩擦系数高于部分滑移区。

部分滑移区微动磨损轻微，接触区域边缘的微滑区出现微裂纹；滑移区磨损严重，磨痕面积和磨损体积较大；混合区磨屑聚集滞留现象明显。

I-800合金的微动磨损机制以摩擦氧化和磨粒磨损为主要特征。

关键词：核电材料；微动磨损；I-800合金中图分类号：TL329，TL353+. 13 文献标识码：A1 引 言微动是接触界面发生的微小振幅（微米量级）的相对运动，通常发生在振动环境下近似紧配合构件的接触表面。

微动可导致接触表面的磨损，引起构件咬合、松动，噪声增加及形成污染源，甚至导致材料表层裂纹的萌生和扩展，使零部件的使用寿命显著降低[1]。

在核电系统中，微动源导致的紧配合和间隙配合件的微动损伤现象大量存在。

蒸汽发生器是核电关键设备，微动损伤是导致其失效的重要原因之一。

防止蒸汽发生器的破损，是核能工程的重大课题[2,3]。

I-800合金具有高热强性、良好的耐蚀性和抗氧化能力等特点，广泛应用于核电和航空航天等领域。

文献研究显示，对I-800合金的研究目前主要集中在均匀腐蚀、应力腐蚀和疲劳等[4~6]方面，针对高温微动损伤及其机理的研究较少。

本文研究了I-800合金在交叉圆柱接触方式下切向微动的运行特征和损伤机理，对核电关键部件稳定和长寿命运行具有实际应用价值，也对微动摩擦学基础理论及材料表面科学的丰富和发展有一定意义。

2 微动磨损试验材料和方法试验材料为Ф22 mm ×1.5 mm 的I-800合金管，表面粗糙度Ra 为0.02 μm 。

对偶件为0Cr18Ni9图1 交叉圆柱接触方式示意图 Fig. 1 Schematic Diagram for CrossContact of Cylinders不锈钢实心圆柱体（Ф=10 mm ，Ra=0.02 μm ）。

微动试验在PLINT 微动磨损试验机上进行。

采用圆管/圆柱水平“十”字交叉接触方式（图1）。

试验参数：法向载荷F n 为50 N 、80 N ；循环次数N 为3×104次；位移幅值D 为2、5、7、10、20、40 μm ；频率为2 Hz ；试验环境为大气；环境温度T 为20~25℃；相对湿度为50%~60%。

试验结束后用光学显微镜（OM ）、扫描电镜（SEM ）、电子能谱（EDX ）和三维激光扫描显微镜（LSEM ）等进行微观分析。

3 试验结果及讨论3 1 微动运行规律F n =80 N 条件下，接触表面不同位移幅值下收稿日期：2008-11-27；修回日期：2009-06-20基金项目：国家自然科学基金（No 50625515）；国家重点基础研究发展计划项目（2007CB714704）核 动 力 工 程 V ol. 30. No. 5. 200968微动摩擦特性的三维曲线[7]如图2所示。

根据图2的曲线形状特征，将微动运行分为3个区域：部分滑移区（直线闭合）、混合区（椭圆）和滑移区（平行四边形）。

当F n =80 N 、D =2 μm 时，F t -D 曲线呈封闭直线。

这时，微动处于部分滑移区（图2a ），微动磨痕由中心粘着区和接触边缘微滑区组成，其位移主要由接触表面的弹性变形调节，摩擦力相对稳定。

当D ≥20 μm 时，F t -D 曲线完全打开，呈平行四边形，接触表面发生较大的相对运动。

此时，微动运行于滑移区（图2c ），磨损严重，接触表面的变形逐步转变为弹、塑性及塑性变形。

当D =10 μm 时，F t -D 曲线介于以上。

二者之间，在微动初期微动运行状态以滑移为主，随着N 增加，摩擦力逐渐增大，几百次循环后F t -D 曲线呈椭圆形，数千次循环后F t -D 曲线逐渐打开，并呈平行四边形。

在混合区，2种特征曲线可反复转变多次，最后逐渐稳定（图2b ）。

图3为F n =50、80 N ，D =2~20 μm 条件下建立的微动区域分布图，即运行工况图（RCFM ）。

当F n 一定时，随着D 的增大，微动运行由部分滑移区向混合区和滑移区逐步转变。

F n 从50 N 增大到80 N 时，微动的部分滑移区向大位移方向扩展，部分滑移区变宽，而滑移区有所收缩；混合区介于部分滑移区和滑移区之间，其区域范围也有所扩展。

图3 I-800合金运行工况微动图（RCFM ） Fig. 3 Running Condition Fretting Map of Alloy-8003.2 摩擦系数图4为2种F n 、不同的D 值下，μ与N 的关系曲线。

μ与N 的关系曲线在部分滑移区、混合区和滑移区呈现2种不同特征。

在部分滑移区（D =2、5 μm ），μ随N 的变化曲线可分为3个阶段：初始跑合期、上升期和稳定期。

初始跑合期经历几次到几十次循环，随后进入上升期。

载荷较小时上升期比较平缓，持续时间较长；载荷较大时上升期μ增加较快，持续时间较短。

在103次以后μ进入稳定期；稳定期μ随D 和F n 的增加而增加。

在混合区和滑移区（D =10、20、40 μm ），μ随N 的变化曲线分为4个阶段：初始跑合期、上升期、下降期和稳定期。

图4显示μ出现明显的峰值。

在F n 为80 N 和50 N 的情况下，混合区μ曲线的峰值高于滑移区。

载荷一定时，μ曲线峰值出现的先后顺序与D 有关。

D 越大，初始跑合期越短，峰值出现越早。

混合区和滑移区的稳定阶段，μ基本保持不变；D 增加时μs 增大。

在摩擦系数曲线的不同阶段，摩擦磨损机制不同。

a D =2 μmb D =10 μmc D =20 μm图2 不同位移幅值下微动摩擦特性三维图（Fn=80 N ）Fig. 2 Evolution of Logs Observed on Alloy-800at Different Displacement Amplitudes （Fn=80 N ）张晓宇等：I-800合金微动磨损特性研究69a F n =80 Nb F n =50 N图4 不同F n 下摩擦系数μ与循环次数N 的关系 Fig. 4 Variations of Friction Coefficient v.s. CycleNumbers at Different Normal Loads初始跑合期，由于试件初始表面膜存在，μ较低；在上升期，因材料界面直接接触，发生粘着，μ上升；在下降期，磨屑逐渐形成并充当第三体保护层，粘着受到抑制，μ下降；在稳定期，磨屑连续不断地形成和溢出，形成了动态平衡。

3.3 磨痕形貌分析图5为F n =80 N 时，不同D 值下的微动磨痕截面轮廓。

在部分滑移区（D =2 μm ），位移主要由弹性变形调节，损伤轻微。

D 增加，微动进入混合区和滑移区，表面轮廓呈现较大尺度，并有明显材料流失特征，磨损量显著增加。

当F n ＝50 N 时，在相应区域得到了类似的结果，但损伤程度相对80 N 时较轻，磨痕面积相对较小。

图5 不同位移幅值D 下磨痕截面轮廓（F n =80 N ） Fig.5 Wear Surface Profiles of Alloy-800 at DifferentDisplacement Amplitudes （F n =80 N ）当F n =50 N ，D =2 μm 时，微动运行于部分滑移区。

磨痕表面出现环状分布的磨损形貌特征，在接触中心区域，出现轻微的损伤痕迹[8]（图6a ），微滑和磨损主要发生在接触边缘的环形区域，在接触边缘环形微滑区发现微裂纹（图6b ）。

当F n =50 N ，D =5 μm 时，微动仍运行于部分滑移区，接触边缘的微滑区观察到尺寸更大的微裂纹（图6c 、6d ）。

在部分滑移区（F n =80 N ，D =5 μm ）接触中心区域，还观察到明显的黏着损伤痕迹（图6f ）和皱褶现象（图6e ）。

上述损伤现象出现与交叉圆柱接触方式条件下的应力分布有关。

因部分滑移区的相对位移主要由弹性变形协调，在接abcdefg h图6 I-800合金的磨痕SEM 照片Fig. 6 SEM Image of Wear Scars of Alloy-800a 、b ：部分滑移区，D =2 μm ，F n =50 N ；c 、d ：部分滑移区，D =5 μm ，F n =50 N ；e 、f ：部分滑移区，D =5 μm ，F n =80 N ；g ：混合区，D =10 μm ，F n =80 N ；h ：滑移区，D =20 μm ，F n =80 N触区的中心一带，出现较大面积的最大接触压应力，并以不同的应力梯度向周围逐渐递减。

在周边的接触区出现比中心带大得多的剪切应力。

随着剪切应力方向的反复交替，金属内滑移带的挤进挤出产生局部屈服现象，在表面屈服局域会萌生裂纹[9]。

当F n=80 N，D=10 μm时，微动运行于混合区，I-800合金磨损程度显著增加，可观察到大量磨屑堆积在接触区，磨屑呈颗粒状（图6g），磨损区有氧化发生；当F n=80 N，D=20 μm 时，微动在滑移区，该区域磨损加剧，磨痕面积较大，I-800合金磨痕表面磨损严重，磨屑呈层片状结构，磨屑中心出现龟裂，有大量片状磨屑剥落转移（图6h），在接触表面相对滑动的过程中，发生严重的塑性变形，EDX分析表明，磨痕的能谱图有明显的氧峰（图7），摩擦氧化作用显著。

图7 I-800合金滑移区（D=20 μm；F n=80 N）磨痕中心（A）的EDX图谱Fig.7 EDX Patterns of the Centre of WearScar of Alloy-800 in Slip Regime（D=20 μm；F n=80 N）4 结论（1）当F n相同时，随着位移幅值D增加，I- 800合金微动运行状态经历了从部分滑移区向混合区和滑移区的规律性转变；随F n增大，微动的部分滑移区向大位移幅值方向扩张，部分滑移区变宽，而滑移区有所收缩。