激光冲击微凹坑造型的表征及摩擦性能研究

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摩擦副表面的减摩润滑一直是研究的热点,近年来兴起的微织构技术因其优异的减摩性能受到国内外学者的广泛关注。本文应用激光冲击技术(Laser Shock Peening,LSP)在ZCuSn10P1材料上制作了微凹坑造型,并对激光冲击后试样的后续性能进行测试和表征,采用理论分析和实验研究相结合的方式对造型试样和光滑试样的摩擦润滑性能进行了研究,主要工作有以下几点:   从激光冲击的原理、压力模型、本构方程等方面介绍了激光冲击技术;探讨了激光冲击技术对材料的表面质量、微观组织、力学性能的影响机理;基于摩擦学的基本理论阐述了干摩擦时的摩擦磨损机制和油润滑时的润滑机理。   利用SpitLight2000型激光器对ZCuSn10P1进行不同激光能量和不同光斑间距的冲击实验,从而制作出具有不同深径比和不同面积密度的微凹坑造型。采用共聚焦显微镜和X射线应力测定仪对凹坑造型试样的表面完整性(包括表面形貌、表面粗糙度、凹坑深度、残余应力)进行了测试,表明LSP后材料的表面粗糙度变大,材料次表层产生了残余压应力。通过纳米压痕仪测定不同能量冲击下凹坑中心、凹坑区域内和基体的纳米硬度和弹性模量,研究发现:凹坑中心的纳米硬度和弹性模量均随着激光能量的增大而提高;随着测试点到凹坑中心距离的增大,纳米硬度和弹性模量的数值均呈现减小的趋势,且凹坑边缘处的测试数值比基体的测试数值小。   在UMT-2摩擦磨损试验机上进行干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损实验,研究造型试样和光滑试样在同种摩擦参数下的摩擦性能,实验后采用共聚焦显微镜对干摩擦后的磨痕形貌进行观测。表明:干摩擦条件下,光滑试样的减磨效果好于造型试样;油润滑条件下,凹坑造型的润滑效果优于光滑试样,且凹坑面积密度为10.75%、深径比为0.045的造型试样润滑效果最好。通过理论分析和实验证明LSP是一种可行的微凹坑造型加工方式,并且可以获得高质量的凹坑阵列能很好地改善材料的摩擦润滑性能。
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