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《北京交通大学》 2017年
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铝基复合材料摩擦制动服役特性及失效机制研究

潘利科  
【摘要】:本文以我国城轨列车碳化硅颗粒增强铝基复合材料(简称铝基复合材料)制动盘为研究对象,制备出了高质量的铝基复合材料;采用有限元模拟技术分析了铝基复合材料制动盘的服役特性,研究了铝基复合材料在城轨列车制动盘服役温度条件下的热疲劳裂纹萌生与扩展机制和第三体膜对摩擦磨损性能的影响。本文开发了可视化的铝基复合材料真空半固态搅拌制备技术,并采用"稀释法"制备出了高质量铝基复合材料,所制备的铝基复合材料颗粒分布均匀,抗拉强度、延伸率比直接搅拌制备的铝基复合材料分别高9%、17%左右。ANSYS有限元模拟分析表明,城轨列车铝基复合材料制动盘在某地铁线路全程往返服役时的工作温度区间为30℃~180℃,连续两次紧急制动为30℃~260℃。30℃~300℃不同温度循环下的热疲劳裂纹的萌生和扩展研究表明:200μm是热疲劳裂纹萌生和扩展的分界点;热疲劳裂纹的萌生是由铝基复合材料中微观孔洞、微裂纹等损伤连接形成的;热疲劳裂纹扩展具有"台阶状"跳跃式的扩展特征,缓慢扩展与快速跳跃扩展交错进行;在缓慢扩展阶段,热疲劳裂纹主要沿着颗粒界面或穿过α-Al扩展;快速跳跃扩展则是主裂纹与裂纹尖端孔洞、微裂纹的连接过程;冷热循环上限温度越高,热疲劳裂纹扩展越快,200℃为临界上限温度。3℃~300℃温度区间的摩擦试验研究发现:低于100℃时铝基复合材料表面产生厚度3μm~5μm的第三体膜;随着摩擦温度升高,第三体膜逐渐被破坏,摩擦磨损由第三体膜的润滑摩擦转变为严重的铝基复合材料的第三体磨粒磨损;温度200℃C、载荷200N、转速1500rpm是临界摩擦条件,试验参数高于临界值,磨损率快速升高。可以对摩擦副施加风冷延缓磨损率快速升高的现象。第三体膜的微观组织和演变过程研究表明:第三体膜是对磨材料通过转移-堆积-压实过程在铝基复合材料表面形成的一种动态平衡的混合膜,具有阻热、润滑、降低磨损率、稳定摩擦系数的有效作用,它由致密层、过渡层、疏松层组成,厚度可达5μm~10μm;200N和1500rpm摩擦条件为第三体膜有效作用的临界条件。本文开发的高质量铝基复合材料可视化的真空半固态搅拌稀释制备方法、建立的铝基复合材料热疲劳裂纹的台阶扩展模型、揭示的第三体膜对摩擦磨损的有效作用机制、阐明的第三体膜润滑摩擦向铝基复合材料第三体磨粒磨损转变的干滑动摩擦磨损机制、以及提出的第三体膜有效作用的临界条件等研究成果,为我国城轨列车铝基复合材料制动盘的热疲劳失效分析和摩擦磨损性能调控提供了理论依据,并对铝基复合材料制动盘的工程应用具有很好的指导作用。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U270.35

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