【摘要】：本文以石油鉆井泵陶瓷缸套為應(yīng)用背景，對(duì)Y-TZP基陶瓷材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 3Y-TZP///(Mg,Y)-PSZ干摩擦?xí)r，3Y-TZP的磨損率與載荷和速度有關(guān)；而水潤(rùn)滑下，磨損率主要與載荷有關(guān)。水潤(rùn)滑下陶瓷磨損率較干摩擦?xí)r的要低。干摩擦?xí)r3Y-TZP表面溫度隨速度和載荷的增大而升高，且隨滑動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。表面溫度的升高，加速了3Y-TZP的磨損。 Al2O3顆粒引入Y-TZP(ADZ)中，改善了陶瓷的物理機(jī)械性能，可有效地提高陶瓷的耐磨性。ADZ磨損率隨載荷的增大而增大，100N和300N時(shí)，，陶瓷硬度對(duì)耐磨性起主導(dǎo)作用，高載荷(500N)時(shí)，相變?cè)鲰g機(jī)制對(duì)陶瓷耐磨性有明顯貢獻(xiàn)。機(jī)械混合和化學(xué)共沉淀兩種方式引入Y2O3的10ADZ的硬度和斷裂韌性相近，但后者耐磨性較優(yōu)，主要是其顯微結(jié)構(gòu)較均勻。ADZ的磨損表面具有分形特征，磨損表面的分形維數(shù)和磨損率都隨載荷的增加而增大，表明表面形貌特征與陶瓷磨損性能關(guān)系密切。磨粒對(duì)陶瓷磨損性能影響的研究表明，尖銳的和硬的磨粒會(huì)降低陶瓷耐磨性。 研究表明ADZ的耐磨性雖然與晶粒尺寸有關(guān)，但并不是單調(diào)地隨晶粒尺寸的增大而降低。在載荷應(yīng)力作用下t-ZrO2會(huì)發(fā)生馬氏體相變，相變?cè)鲰g有助于提高陶瓷的耐磨性。t-ZrO2太小，不能發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g而無(wú)助于耐磨性；t-ZrO2較大，易相變并產(chǎn)生大量微裂紋，微裂紋的交匯和聯(lián)接容易產(chǎn)生斷裂，加速磨損。因此提出了不宜簡(jiǎn)單地用W-1∝G-1/2來(lái)描述氧化鋯陶瓷的耐磨性和晶粒尺寸之間的關(guān)系。陶瓷的摩擦系數(shù)不受氣孔率的影響，陶瓷的磨損率隨氣孔率的增大而增加。提出了磨損臨界孔徑這一概念，小于臨界孔徑的微孔幾乎不影響陶瓷的磨損。開(kāi)、閉氣孔的存在都對(duì)陶瓷的耐磨性有負(fù)面影響。 首次研究了Y-TZP中引入適量的莫來(lái)石(MDZ)可提高耐磨性。柱狀莫來(lái)石的存在對(duì)提高耐磨性的主要貢獻(xiàn)為：⑴阻礙裂紋擴(kuò)展，橋聯(lián)增韌，消耗裂紋成核、擴(kuò)展的能量；⑵阻止晶界滑移；⑶抑制ZrO2晶粒的異常長(zhǎng)大，使MDZ致密化。MDZ的主要磨損機(jī)制為微犁削、塑性變形和柱狀莫來(lái)石晶粒脫落。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況所估算出的ADZ陶瓷和高鉻鑄鐵兩種缸套材料的使用壽命的比值與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果相當(dāng)，說(shuō)明在模擬工況下來(lái)研究材料的磨損性能是可行性的。
【圖文】：

使四方相 ZrO2介穩(wěn)至室溫。這些金屬離子半徑和鋯離子半徑相近，在成范圍與溫度范圍內(nèi)可以維持固有結(jié)構(gòu)，不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，而固溶于內(nèi)。為了保持晶格的電價(jià)平衡，ZrO2晶體中產(chǎn)生了一定數(shù)量的氧空位排斥力減小，使體系處于能量相對(duì)較低的狀態(tài)，即降低了化學(xué)自由em值。從而，使 t-ZrO2向 m-ZrO2轉(zhuǎn)變不能發(fā)生。t-ZrO2能否保留至室粒尺寸有關(guān)，即存在一個(gè)臨界尺寸cD ，低于cD 的顆粒四方相可以保留利用亞穩(wěn)四方相在應(yīng)力誘導(dǎo)下相變對(duì)裂紋尖端能量的吸收作用，經(jīng)過(guò)二努力，人們制造出了部分穩(wěn)定氧化鋯增韌陶瓷（partically stabilized zir）[16-20]、氧化鋯四方多晶材料（tetragonal zirconia polycrystal，TZP）、相氧化鋯增韌陶瓷（Zirconia Toughened Ceramic，ZTC），其中主要包括韌氧化鋁陶瓷（zirconia toughening alumina，ZTA）[21-23]、氧化鋯增韌瓷（zirconia toughening mullite，ZTM）[24-29]等一系列具有優(yōu)良室溫力 ZrO2相變?cè)鲰g陶瓷材料，圖 2-1 示出了三種氧化鋯增韌陶瓷的典型組在 PSZ、TZP、TZC 三種氧化鋯增韌陶瓷中以 TZP 為研究重點(diǎn)。

即表面相變?cè)鲰g，與玻璃陶瓷通過(guò)熱處理表面研磨、噴砂、低溫深冷處理以及化學(xué)顆粒轉(zhuǎn)化為單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，形成縮表面層的陶瓷不再對(duì)表面的缺陷敏感，產(chǎn)生破壞。實(shí)際上，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使多個(gè)增之間的相互作用必須給予充分的考慮。作用的結(jié)果是對(duì)增韌有益的。例如，在，裂紋的分支、偏轉(zhuǎn)、彎曲和橋聯(lián)增韌可。相反，有些機(jī)理的相互作用可能是有害增韌作用。例如，兩種橋聯(lián)同時(shí)起作用，較大而影響另一個(gè)橋聯(lián)的發(fā)揮。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2003
【分類(lèi)號(hào)】：TB321

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本文編號(hào)：2645228