Page 72 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 唐攀, 等: 位移幅值对690合金管/405不锈钢块切向微动磨损特性的影响 755

微动是紧密配合或间隙配合界面，在外界交变载 的微动磨损机制的微动磨损机制随着温度而改变，当
荷作用下，发生位移幅值很小的相对运动. 微动不仅 温度较低时，主要的磨损机制为磨粒磨损和剥层；当
可以使材料表面发生损伤，还会大大降低构件的疲劳 温度高于200 ℃时，主要的磨损机制为剥层、磨粒磨损
[14]
寿命，降低构件的可靠性. 根据位移幅值和载荷的不 和黏着磨损. 然而，郭相龙等 对690合金管的微动磨
同，微动运行状态可分为部分滑移区、混合区和完全 损研究发现磨损机制很大程度上取决于材料的摩擦
滑移区，且不同区域下材料的磨损机制存在区别 [1-3] . 配副. 目前针对SG传热管的不同微动区域的研究以点
在压水堆核电站中，蒸汽发生器(Steam generator， 接触为主，或者对表面进行了处理 [15-16] ，这与工程实际
SG)是重要的一回路构件，是防止含放射性物质的冷 有一定的差距. 本文作者以690合金管/405不锈钢块为
却剂向二回路泄漏的重要屏障. 在核电站运行过程 研究对象，在线接触的条件下，研究不同位移幅值下
中，流致振动是不可避免的，且由于设计安装的要求， 690合金管的微动特性的影响，探索在线接触条件下，
SG传热管与其支撑板(或抗振条)之间会发生微动损 [4-5] . 位移幅值对微动区域的影响.
目前，对SG传热管的微动损伤特性多以试验研究为 1 试验材料和方法
主 . Lee等 [6-7] 研 究 对 比 了 SG所 用 材 料 Inconel 600、
Inconel 690、Alloy 800与405、409、410不锈钢配副在 采用线切割技术将690合金管(外径为18 mm)切
室温水环境下的微动磨损特性，试验所采用的接触方 割为长度为25 mm的试样，将405不锈钢(405 SS)加成

式为点接触和销盘试验，其研究结果表明Inconel 工12 mm×10 mm×4 mm的试样块. 在试验开始前，将
690/409 SS配副时磨损率最小，而Alloy 800/410 SS配 加工制备好的试样浸没在无水酒精中，采用超声波清
副时磨损最为严重. Kown等 [8-9] 研究了Inconel 690和 洗机对机械加工残留的杂质进行清洗. 为了更为准确
Inconel 600在室温和320 ℃高温下的微动疲劳特性， 地模拟实际工程中的表面损伤，本文中所采用的试验
结果发现，由于微动疲劳的存在，690的疲劳寿命在室 试样均未进行任何表面处理(如表面剖光等)，保证试

温环境下下降了40%，在320 ℃高温环境下下降了20%. 验试样的表面与工程使用中的一致. 表1列出了试验
蔡振兵等 [10-13] 采用线接触的试验方式发现690合金管 材料的主要化学成分.

表 1 试验材料主要化学成分
Table 1 Main chemical compositions of the test material
Mass fraction/%
Material
Ni Cr Fe Al C Si Mn S P
Inconel 690 ≥58 28.5~31 9~11 ≤0.4 0.015~0.025 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.003 ≤0.015
405 SS ≤0.6 11.5~14.5 Bal. 0.1~0.3 ≤0.08 ≤1 ≤1 ≤0.03 ≤0.040

微动试验采用自制的微动磨损试验机，其试验装 动器实现，并采用光栅位移传感器采集微动位移量，
置和试验原理如图1所示. 其中，405不锈钢块为对上 采集与控制精度均高于1 μm，满足微动磨损试验；摩
试样，690合金管为对下试样. 在微动磨损试验过程 擦力通过PCB力传感器进行采集. 试验开始前对所有
中，法向载荷通过砝码施加到405不锈钢块上；通过驱
的传感器标定，从而保证试验数据得准确性. 本文中
动装置实现690合金管的切向往复位移，驱动装置包
的微动磨损试验参数如下：法向载荷(F )为40 N；位移
n
括位移加载和采集部分，位移加载是通过压电陶瓷作
幅值(D)为15、30、80和200 μm；试验频率(f)为5 Hz；微
5
动循环次数(N)为10 . 为保证具有可靠试验数据，进行
Friction sensor
Weight F n
了重复试验，试验次数不低于3次.
D
试验结束后，采用扫描电子显微镜(SEM，JEOL
JSW-6610LV)开展损伤区域形貌分析与剖面分析；采
用电子能谱仪(EDX，OXFORD X−MAX50 INCA−250)
Foundation

进行微区元素成分分析；采用白光干涉仪(Bruker，
Fig. 1 Experimental rig and experimental schematic diagram
图 1 试验装置及试验原理图 ContourGT-I)对损伤区域三维形貌分析，并测量磨损量.