高熵合金FeCoNiCrMn摩擦磨损特性仿真与试验研究

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高熵合金因具有潜在的理想性能而成为了材料科学和工程领域的关注焦点,而高熵合金大规模应用的推进,离不开多学科多领域的研究,其中也包括了相关摩擦学性能研究。本文以单相高熵合金为研究对象,综合运用物理试验和数值仿真的方法系统地研究了其润滑条件下的摩擦学特性。为了研究单相面心立方结构的高熵合金FeCoNiCrMn(285 HV)在MoS2-油(含1 wt%MoS2)润滑条件下的摩擦磨损行为,摩擦试验采用球-盘往复滑动的布局,并以GCr15球(780HV)为对偶件。基于单因素(速度和载荷)建模试验,提取了室温下各工况的FeCoNiCrMn磨损指标,建立了 Archard磨损数值模型(相关系数R=0.89)。利用Workbench进行静态接触模拟得到了各载荷下摩擦副的应力与变形情况(与理论计算误差约1%),结合变形协调方程确定了瞬态结构仿真的位移边界条件。瞬态结构仿真结果显示,相同载荷下,FeCoNiCrMn-GCr15摩擦副所受的动态摩擦接触压力较静态加载时接触压力偏大,这也成为后续优化磨损模型的依据;随着载荷的提升,瞬态摩擦应力和FeCoNiCrMn表面温度均呈现增长趋势。对于同载荷而不同速度下,动态摩擦接触压力则变化不大,但动态摩擦阶段的接触压力依旧大于静态加载阶段;速度的提升使得瞬态摩擦应力有所降低,而FeCoNiCrMn表面最高温度则随之提高;此外,瞬态结构分析还显示随着摩擦副相对滑动速度的提升,接触区域摩擦热影响区域逐渐缩小。根据动态摩擦接触压力重新拟合并分析磨损模型,获得了修正Archard方程(R=0.96)。利用APDL定义修正Archard模型,进行了 FeCoNiCrMn磨损量仿真,结果显示与换算试验磨损值误差较高(约为10~15%),归因于摩擦真实试验的复杂性(时变特性和系统特性)与针对仿真模型所做的必要处理(网格模型与边界条件的简化)。试验部分则采用正交试验与对比试验结合的策略,针对速度Vrel(4.167~20.833 mm/s)、载荷FN(10~50 N)、温度 T(RT~140℃)和时间t(5~20 min)进行 L25(56)正交试验;基于正交试验结果针对Vrel、FN和T设计并进行对比试验,利用扫描电镜表征磨损表面的微观形貌。正交试验结果的方差分析表明,Vrel、FN和t对平均摩擦系数f影响最为显著(P<0.01),对磨损量ΔV影响显著性最高(P<0.01)的则只有Vrel和FN。对比试验结果显示T对FeCoNiCrMn的f(T<50℃)和AV均呈正相关,而Vrel和FN对f呈负相关。扫描电镜图像揭示了在各工况条件下,磨粒磨损占据着主导地位,伴随有犁沟损伤和片状磨屑,并且还有氧化磨损。在较高的速度(Vrel<12.500 mm/s)和载荷(FN≥40 N)条件下,FeCoNiCrMn开始出现疲劳磨损。温度升高同时降低着表面润滑介质的润滑效果和FeCoNiCrMn基体的力学性能,这使得磨粒磨损更加剧烈。此外,还发现速度的提升、载荷的加大和温升的抑制均有助于平均摩擦系数的降低,以及摩擦副材料之间较大的硬度差使得FeCoNiCrMn在MoS2-油润滑条件下主要损伤为磨粒磨损。
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