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)05-0067-05

I-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：A

1 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 Cross

Contact 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. 2009

68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-800

3.2 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 μ

m

b D =10 μ

m

c 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-800

at Different Displacement Amplitudes （Fn=80 N ）