基于ANSYS的耐熱鋼高溫磨損性能研究

新巴雅爾,辛英臣,孫思意,卜 凡

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一,主要由機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片和靜止葉片三大部分組成。由于轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速高、形體單薄、載荷狀況嚴(yán)酷,使其成為發(fā)動機(jī)使用故障率最高的零部件之一[1]。葉片和機(jī)匣之間的摩擦不僅會影響壓氣機(jī)的壓氣比,甚至?xí)疝D(zhuǎn)子葉片的斷裂,是導(dǎo)致葉片失效的主要原因之一[2],壓氣機(jī)葉片失效問題一直受到廣大科學(xué)工作者的關(guān)注。

賴安卿等[3]研究了壓氣機(jī)邊緣磨損對其性能的研究,發(fā)現(xiàn)前緣磨損會導(dǎo)致壓比、效率降低;宋國明[4]對低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行斷裂分析,發(fā)現(xiàn)葉片的主要失效原因?yàn)楸P和葉片的配合不良引起的磨損;李飛舟等[5]研究了摩擦速度對高速鋼磨損性能的影響;陳磊等[6]研究了不同壓力、不同速度條件下熱作模具鋼的磨損行為;吳濤等[7]模擬了滑動速度和摩擦系數(shù)的變化對輪軌摩擦生熱的影響。摩擦磨損方面多為研究外界條件,如壓力、速度等對磨損的影響,對于材料自身特性,如硬度變化對磨損特性的影響較少;數(shù)值模擬方面多為研究常溫摩擦過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布,且多為單次摩擦,與實(shí)際工況差別較大,對于高溫條件下,多次摩擦?xí)r應(yīng)力應(yīng)變及瞬態(tài)溫度變化的模擬研究幾乎沒有。

本研究以壓氣機(jī)中葉片轉(zhuǎn)子與機(jī)匣摩擦導(dǎo)致葉片失效為背景,選用壓氣機(jī)葉片常用材料馬氏體沉淀硬化型耐熱鋼S51740(05Cr17Ni4Cu4Nb)[8],針對其高溫硬度對高溫磨損特性的影響進(jìn)行研究,并結(jié)合有限元數(shù)值模擬,通過熱固耦合,對循環(huán)摩擦過程中的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變及溫度變化進(jìn)行研究,更加準(zhǔn)確的分析材料的失效特點(diǎn)。本研究對進(jìn)一步延長材料服役時間,減緩磨損失效具有一定的參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用的S51740耐熱鋼化學(xué)成分如表1所示。熱處理前的金相組織如圖1(a)所示,組織較為粗大,經(jīng)過如圖1(b)所示的熱處理工藝加工后金相組織如圖1(c)所示,獲得了板條狀馬氏體組織及細(xì)小且彌散的沉淀相[9]。常溫下維氏硬度為454HV。

圖1 金相顯微組織及熱處理工藝)

表1 化學(xué)成分

3 實(shí)驗(yàn)方法

使用HT-1000高溫滑動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和HVT-1000高溫真空硬度計(jì)分別進(jìn)行高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及高溫硬度測量。試樣尺寸均為30 mm×30 mm×3 mm,其他實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)高溫硬度換算成抗拉強(qiáng)度[10],將抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成屈服強(qiáng)度[11],并通過德國耐馳LFA-427激光熱導(dǎo)儀、高溫同步熱分析儀、德國耐馳熱膨脹儀的測量及JMat Pro的計(jì)算,確定了該材料的高溫物理特性,物理性能參數(shù)如表3所示。

表3 物理性能參數(shù)

基于 ANSYS LS-DYNA 利用以上數(shù)據(jù),創(chuàng)建了高溫摩擦磨損有限元模型,摩擦球模型尺寸為φ6 mm,鋼件模型尺寸為φ10 mm×0.8 mm,鋼件模型最小單元尺寸為100 μm×200 μm×300 μm,二者單元總數(shù)分別為4000和9600,摩擦數(shù)值模擬模型如圖2所示,模擬試驗(yàn)中。摩擦球Si3N4采用剛體材料模型,忽略其變形影響;鋼件采用與溫度相關(guān)的雙線性各向同性彈塑性材料模型;接觸類型為熱固耦合接觸,接觸面和目標(biāo)面之間熱分布的權(quán)重系數(shù)為0.5,即熱量平均分配給摩擦球模型和鋼件模型;摩擦系數(shù)為0.5[12];邊界條件,只考慮兩接觸表面間的熱傳導(dǎo),因其工作在高溫環(huán)境,受環(huán)境溫度影響較小,因此忽略摩擦副與空氣的熱輻射和熱對流;摩擦生熱的主要形式為機(jī)械功轉(zhuǎn)換為熱量,轉(zhuǎn)換比例為0.9[13]。為了使磨損效果更加明顯,在合理范圍內(nèi),將壓力提升為20 N,轉(zhuǎn)速提高到20 r/s。通過熱固耦合數(shù)值模擬,得出該材料在不同溫度條件下在摩擦過程中的表面形貌、應(yīng)力應(yīng)變分布及瞬態(tài)溫度變化。結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)得出高溫硬度變化對高溫磨損特性的影響機(jī)制。

圖2 高溫摩擦磨損數(shù)值模擬模型

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 高溫真空硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高溫硬度變化如圖3所示,隨著溫度升高材料硬度逐漸下降,從400 ℃到600 ℃硬度下降較小,從600 ℃到800 ℃硬度下降明顯。分析原因?yàn)椴牧螦c1溫度為670 ℃,Ac3溫度為740 ℃[14],在400 ℃到600 ℃內(nèi),主要因高溫軟化作用,材料硬度降低,800 ℃超過了材料的奧氏體化溫度,發(fā)生了相變,硬度下降較為明顯。

圖3 高溫硬度隨溫度變化曲線

4.2 高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 磨損量變化

不同溫度條件下的磨損量如圖4所示。磨損量隨溫度升高而逐漸降低。400 ℃和600 ℃,磨損量較大,800 ℃磨損量較小。從圖3和圖4可以看出,雖然高溫硬度逐漸降低,但是高溫磨損量并沒有隨硬度的降低而增加,反而磨損量減少,這與硬度和磨損量呈正比關(guān)系的普遍觀念不相符,可以推斷,隨溫度升高,材料硬度降低,磨損形式可能發(fā)生了變化。為了進(jìn)一步分析其原因,進(jìn)行了磨損表面微觀形貌觀察和摩擦系數(shù)變化規(guī)律分析。

圖4 磨損量隨溫度變化曲線

4.2.2 磨損形貌變化

磨損形貌如圖5所示。400 ℃時宏觀看磨痕較為平整(圖5(a)),微觀看有明顯的梨溝(圖5(d)),磨損形式主要以磨粒磨損為主。600 ℃時宏觀觀察到磨痕出現(xiàn)粗細(xì)不均的現(xiàn)象(圖5(b)),微觀觀察到既有梨溝也有黏著拖動(圖5(e)),磨損形式既有磨粒磨損又有黏著磨損。然而800 ℃時宏觀角度,能明顯看到磨痕出現(xiàn)多個條狀凹坑(圖5(c)),微觀角度,表面較為光滑,有材料局部脫落的現(xiàn)象(圖5(f)),磨損形式主要以黏著磨損為主。表明隨材料硬度降低,磨損形式發(fā)生了轉(zhuǎn)變,硬度較高時,材料具有較高的承載能力,磨損主要是摩擦球?qū)Σ牧贤獗砻娴那邢髯饔盟鸬?。隨著硬度降低,材料承載能力下降,在法向載荷作用下,發(fā)生塑性變形的程度增加,磨痕中心出現(xiàn)明顯的凹坑,兩側(cè)翻唇現(xiàn)象越發(fā)明顯,磨損形式主要是黏著節(jié)點(diǎn)處的材料從一個材料表面遷移到另一材料表面,材料較少發(fā)生脫落[15]。

圖5 磨損形貌

4.2.3 摩擦系數(shù)變化

摩擦系數(shù)如圖6所示。磨損過程大致可分為初期磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段三個階段[16],由摩擦系數(shù)可以看出,400 ℃時在初期磨合階段摩擦系數(shù)短暫下降之后快速上升,隨后進(jìn)入穩(wěn)定磨合階段,沒有發(fā)生急劇磨損。600 ℃時初期磨合階段,摩擦系數(shù)較400 ℃略高,之后緩慢上升,達(dá)到穩(wěn)定磨損階段。800 ℃時初期磨合階段很短,很快進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段,之后摩擦系數(shù)緩慢增加,沒有發(fā)生急劇磨損,且摩擦系數(shù)較400 ℃和600 ℃明顯降低。表明摩擦力會隨硬度變化而變化,硬度較高時,摩擦副間相互作用力較大,摩擦系數(shù)較大。隨材料硬度降低,抵抗摩擦能力下降,相互作用力降低,摩擦系數(shù)較小。隨著硬度降低,摩擦系數(shù)由劇烈波動的磨合階段進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段的時間逐漸減少,表明材料硬度越低,磨損越為劇烈,使得摩擦表面更快被磨到較為穩(wěn)定的階段。

圖6 摩擦系數(shù)

通過磨損形貌觀察和摩擦系數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)隨材料硬度降低,磨損形式確實(shí)發(fā)生了變化,逐漸從磨粒磨損向黏著磨損轉(zhuǎn)變,從摩擦球的切削作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ燎蛲苿硬牧习l(fā)生塑性變形,因切削作用的材料去除率高,而塑性變形材料去除率低,所以反映到磨損量上為隨硬度降低,磨損量降低。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對磨損量隨硬度降低而降低是磨損形式轉(zhuǎn)變的猜想。但是實(shí)驗(yàn)仍然只能通過最終結(jié)果分析原因,對磨損發(fā)生的過程是無法考量的。為了能夠更加清晰準(zhǔn)確的對磨損過程進(jìn)行分析,本實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法,對磨損過程中瞬態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變分布、磨損形貌及瞬態(tài)溫度進(jìn)行仿真模擬,從微觀角度解釋磨損發(fā)生的整個過程,對全面解釋磨損機(jī)理具有重要參考價(jià)值。

4.3 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果討論

4.3.1 應(yīng)力分布情況

圖7((a)(b)(c))為不同溫度條件下,經(jīng)過三次摩擦后鋼件模型上表層有效應(yīng)力分布情況,圖7((d)(e)(f))為經(jīng)過三次摩擦后鋼件模型磨痕截面應(yīng)力分布情況。由圖可知,材料隨溫度升高,應(yīng)力逐漸降低,最大有效應(yīng)力分別為0.3336 GPa、0.3170 GPa和0.2372 GPa。分析原因?yàn)殡S溫度升高,材料硬度降低,在摩擦過程中相互作用力下降所致;隨溫度升高,正面和截面的摩擦影響區(qū)逐漸增大,由正面應(yīng)力分布情況可知400 ℃時的影響寬度為1 mm左右,600 ℃時為1.2 mm左右,800 ℃時為1.5 mm左右。分析原因?yàn)殡S溫度升高,材料硬度降低,承載能力下降,在法向應(yīng)力的作用的下,塑性變形加劇,磨痕加深,摩擦副間接觸面積增大,作用力被分散。應(yīng)力大小及分布與摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7 表面和截面應(yīng)力分布

4.3.2 磨痕截面變形特點(diǎn)

不同溫度條件下,經(jīng)過三次摩擦后,摩擦痕跡截面變形情況如圖8(a)所示。由圖中可看出,隨溫度升高,材料變形加劇,在800 ℃時,變形尤為明顯。磨痕中心主要受壓應(yīng)力,向下凹陷,兩側(cè)有翻唇現(xiàn)象發(fā)生。表明硬度變化與材料磨損變形有直接關(guān)系,硬度較低時,會發(fā)生顯著的塑性變形。模擬試驗(yàn)結(jié)果解釋了800 ℃時磨痕中心出現(xiàn)凹坑的原因。圖8(b)為600 ℃時三次摩擦后摩痕的截面形貌,由圖可知,摩擦影響區(qū)隨摩擦次數(shù)的增加逐漸擴(kuò)大,磨痕的深度逐漸加深,兩測的翻唇現(xiàn)象越發(fā)明顯。表明摩擦次數(shù)的增加,會加劇材料的磨損。但隨摩擦次數(shù)的增加,變形增幅有減小的趨勢,表明材料有加工硬化的現(xiàn)象。

圖8 摩擦痕跡截面形貌

4.3.3 瞬態(tài)溫度變化

圖9(a)為磨痕中心單元在摩擦過程中的溫度變化,由圖中可以看出,當(dāng)有摩擦發(fā)生后,單元溫度會有瞬態(tài)升高,升高幅度在10 ℃到18 ℃之間,隨后中心溫度較高的單元會以熱傳導(dǎo)的形式向鄰近單元傳遞熱量,使得中心單元溫度快速下降,鄰近單元溫度緩慢上升;隨摩擦次數(shù)增加,材料溫度累積升高,由于前一次的摩擦熱在后一次發(fā)生摩擦?xí)r仍有余熱,所以溫度會累積升高,由此可推測,若在較高的摩擦頻次情況下,溫度累積升高現(xiàn)象會更加明顯,所以高頻率快速的摩擦?xí)共牧蠝囟瓤焖偕仙?影響材料局部硬度,加速材料的磨損;三個溫度對比表明溫度越低,摩擦升溫現(xiàn)象越明顯。圖9(b)為沿鋼件模型半徑方向,從磨痕中心單元到模型邊界單元,600 ℃時隨時間變化的溫度變化情況(取單元的中心到磨痕中心的距離代表每個單元),圖9(c)為從磨痕中心點(diǎn)沿鋼件模型厚度方向向下的多個單元溫度隨時間變化的情況。由圖可知,磨痕中心單元的鄰近單元同樣會隨摩擦次數(shù)的增加,溫度逐漸累積升高,并且較表面單元的溫度升高有明顯的滯后現(xiàn)象,距離表面單元距離越遠(yuǎn),溫度上升滯后現(xiàn)象越明顯。原因?yàn)猷徑鼏卧臒崮?大多來自于表面中心單元的熱傳遞,距離越遠(yuǎn),需要熱傳遞的時間越長。經(jīng)過三次摩擦后,熱影響區(qū)在2 mm左右,隨摩擦次數(shù)及速度的增加,熱影響區(qū)會累積增加。由此可見,高頻高速的摩擦,必然會使材料局部快速升溫,使材料硬度降低,加速其摩擦磨損。有效降溫,或控制摩擦發(fā)生頻次,對延長材料的使用壽命至關(guān)重要。

圖9 溫度變化

5 結(jié)論

1) 隨溫度升高,材料硬度逐漸降低,400 ℃和600 ℃時硬度降低較為小,800 ℃時硬度下降較為明顯。隨硬度降低,磨損形式由磨粒磨損向黏著磨損過度,摩擦系數(shù)由劇烈波動的磨合階段進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段的時間逐漸減少。硬度的變化會直接影響磨損形式,進(jìn)而影響磨損量。

2) 隨材料硬度降低,摩擦過程中應(yīng)力逐漸減小,影響區(qū)逐漸增加,應(yīng)變逐漸增大,材料的硬度變化會直接影響其塑性變形特點(diǎn)。隨摩擦次數(shù)的增加,材料局部溫度累積升高,會加速材料的磨損。

3) 51740耐熱鋼在600 ℃以下,具有較好的力學(xué)性能,是材料適宜的使用溫度。有效控制摩擦發(fā)生的頻次,或及時有效降低材料溫度,對延長材料的使用壽命具有重要意義。