位移幅值对Inconel600合金微动磨损性能和机制的影响

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 位移幅值对nconel600合金微动磨损性能和机制的 影响 李杰，陆永浩回 北京科技大学国家材料安全服役中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lu_yonghao(@mater..usth.clu.cn 摘要采用高精度微动磨损试验机SRVV研究蒸汽发生器传热管材料Inconel600合金在不同位移幅值下的微动磨损行 为，分析了位移幅值对摩擦因数和磨损体积的影响.采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察磨损表面和截面的形貌，并用透 射电子显微镜对摩擦学转变组织进行观察.结果表明：随位移幅值的增加，摩擦因数和磨损体积逐渐增大，材料的微动行为先 后经历以黏着为主的部分滑移区以及滑动为主的完全滑移区：磨损机制也由黏着磨损逐步转变为氧化磨损和剥层磨损的共 司作用：微裂纹出现在黏着区域和滑动区域的交界处以及滑动区域内：黏着区氧分布密度和磨痕外基体的相一致，氧化主要 发生滑动区域：磨痕亚表层的组织发生了严重的塑性变形，产生纳米化现象，摩擦学转变组织的晶粒尺寸约100m,远小于原 始组织的15-30μm. 关键词镍合金：微动磨损；位移幅值：微裂纹：纳米化 分类号TH117.1 Displacement amplitude effects on the fretting wear behavior and mechanism of Inconel600 alloys LI Jie,LU Yong-hao National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lu_yonghao@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT The fretting wear behavior of Inconel600 alloy for steam generator heat exchange tubes at different displacement ampli- tudes was investigated with a SRV IV fretting tester.The effects of displacement amplitude on the friction coefficient and wear volume were analyzed.The worn surface and subsurface morphology were observed by optical microscopy and scanning electron microscopy, and the tribological transformed structure was observed by transmission electron microscopy.It was found that the friction coefficient and wear volume increased with the displacement amplitude,and the fretting wear mode gradually transformed from mainly adhesion of the partial slip regime to absolutely slide of the gross slip regime.The wear mechanism correspondingly gradually changed from adhe- sive wear to a combination of oxidation and delamination wear.Microcracks were observed at the junction of the adhesion zone and the slide zone and in the whole slide zone of the wear scar.The oxygen distribution density in the adhesion area was almost the similar as the matrix located outside the wear scar,and oxidation mainly occurred in the sliding zone.Severe plastic deformation appeared just under the wear scar,resulting in its nanolization.The grain size in the tribological transformed structure layer was about 100nm,much smaller than 15 to 30 um of the original grain size. KEY WORDS nickel alloys;fretting wear:displacement amplitude:microcracks;nanolization 微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热 循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极 收稿日期：2013-0706 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB610504) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.008:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 位移 幅 值 对 Inconel600 合金微动磨损性能和机制的 影响 李 杰，陆永浩 北京科技大学国家材料安全服役中心，北京 100083  通信作者，E-mail: lu_yonghao@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用高精度微动磨损试验机 SＲV Ⅳ研究蒸汽发生器传热管材料 Inconel600 合金在不同位移幅值下的微动磨损行 为，分析了位移幅值对摩擦因数和磨损体积的影响． 采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察磨损表面和截面的形貌，并用透 射电子显微镜对摩擦学转变组织进行观察． 结果表明: 随位移幅值的增加，摩擦因数和磨损体积逐渐增大，材料的微动行为先 后经历以黏着为主的部分滑移区以及滑动为主的完全滑移区; 磨损机制也由黏着磨损逐步转变为氧化磨损和剥层磨损的共 同作用; 微裂纹出现在黏着区域和滑动区域的交界处以及滑动区域内; 黏着区氧分布密度和磨痕外基体的相一致，氧化主要 发生滑动区域; 磨痕亚表层的组织发生了严重的塑性变形，产生纳米化现象，摩擦学转变组织的晶粒尺寸约 100 nm，远小于原 始组织的 15 ～ 30 μm． 关键词 镍合金; 微动磨损; 位移幅值; 微裂纹; 纳米化 分类号 TH 117. 1 Displacement amplitude effects on the fretting wear behavior and mechanism of Inconel600 alloys LI Jie，LU Yong-hao National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lu_yonghao@ mater． ustb． edu． cn ABSTＲACT The fretting wear behavior of Inconel600 alloy for steam generator heat exchange tubes at different displacement ampli￾tudes was investigated with a SＲV IV fretting tester． The effects of displacement amplitude on the friction coefficient and wear volume were analyzed． The worn surface and subsurface morphology were observed by optical microscopy and scanning electron microscopy， and the tribological transformed structure was observed by transmission electron microscopy． It was found that the friction coefficient and wear volume increased with the displacement amplitude，and the fretting wear mode gradually transformed from mainly adhesion of the partial slip regime to absolutely slide of the gross slip regime． The wear mechanism correspondingly gradually changed from adhe￾sive wear to a combination of oxidation and delamination wear． Microcracks were observed at the junction of the adhesion zone and the slide zone and in the whole slide zone of the wear scar． The oxygen distribution density in the adhesion area was almost the similar as the matrix located outside the wear scar，and oxidation mainly occurred in the sliding zone． Severe plastic deformation appeared just under the wear scar，resulting in its nanolization． The grain size in the tribological transformed structure layer was about 100 nm，much smaller than 15 to 30 μm of the original grain size． KEY WOＲDS nickel alloys; fretting wear; displacement amplitude; microcracks; nanolization 收稿日期: 2013--07--06 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2011CB610504) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热 循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极

第10期 李杰等：位移幅值对Inconel600合金微动磨损性能和机制的影响 ·1329· 小的相对运动（位移幅值一般为微米量级）·-.核 合，试件表面经研磨抛光至R。=0.04μm,实验前将试 电蒸汽发生器传热管常在高温、高压和腐蚀介质环 样表面用乙醇超声清洗.微动实验主要参数：法向载 境下使用，流体导致的振动以及传热管与支撑板之 荷为100N,微动频率为20Hz,循环周次为36000，位 间存在微小空隙，使得传热管材料发生微动损伤，进 移幅值分别为30、60、90、120和150μm;环境温度为 一步造成材料表层裂纹的萌生和扩展.传热管失效 25~30℃，相对湿度为30%~40%.磨损实验结束 将导致传热效率下降，严重的情况下会导致一回路 后，沿微动方向磨痕边缘切下试样，经环氧树脂封样， 放射性污染和整个蒸汽发生器的报废B-a.目前， 研磨，抛光，用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜 微动损伤已成为蒸汽发生器失效的主要原因之一· (SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)等进行形貌 目前，国外已有关于核电材料的微动行为的研 和微观分析.3D白光形貌仪可以对磨痕的三维尺寸 究D-),但在国内却鲜有报道.本文研究了 及磨损体积进行测量 Inconele600合金材料的微动运行特征和损伤机理，为 2结果和讨论 核反应堆的关键部件抗微动损伤提供了理论和实验 依据. 图1(a)为不同位移幅值下的摩擦因数随循环 周次的变化：图1(b)为平均摩擦因数随位移幅值的 1实验方法 变化.如图1(a)所示，在位移幅值较小的情况下， 采用德国Optimol公司生产的SRV IV摩擦磨损 摩擦因数曲线波动较小.随着幅值的增加，由于氧 试验机进行磨损实验.摩擦副接触方式为球一平面接 化和磨损的加剧，磨屑含量增加，使得接触面的实际 触形式，微动方式为切向式.上试样是直径为l0mm 情况变得复杂，从而使得曲线波动变大.图1(b)中 的GCrl5钢球，表面粗糙度R=0.O4m,硬度HV 平均摩擦因数从位移幅值为30μm时的0.34逐渐 ~700,下试样是nconel600合金，硬度HV~253.线 增加至150μm的0.83.位移幅值较小时，接触面的 切割后的inconel600合金试样(15mm×15mm)经过 中心黏着不发生相对运动.随着位移幅值的增加， 去毛边除油清洁后，用502胶水与不锈钢底座进行黏 接触面的相对运动容易发生，使得切向力增加，摩擦 1.0 0.90 08 150Hm ∠120m 0.75 90 um 0.6 区0.60 60μm 0.4 30m 0.45 12 0.30 800016000240003200040000 30 6090120 150 循环周次 位移幅值m 图1不同位移幅值下摩擦因数曲线()和平均摩擦因数(b) Fig.1 Friction coefficient curves (a)and average friction coefficients (b)at different displacement amplitudes 因数也逐渐增大，微动区域由部分滑移区转变为完 全滑移区.图2为磨损体积随位移幅值的变化.由 120 图中可以看出：位移幅值小于60μm时，随着位移幅 90 值的增加，磨损体积增幅较小：当位移幅值大于 0D/ 60um时，磨损体积有明显的增加. 60 图3为不同位移幅值下磨痕光学显微镜表面形 30 貌，图中水平方向对应微动方向.在位移幅值为 30um和60μm下，磨痕形貌呈环状.磨痕的边缘是 30 60 90120150 由滑动引起的轻微磨损区，而在磨痕中心所在的大 位移幅值μm 部分区域则为黏着区.随着位移幅值的增加，滑动 图2随位移幅值增加磨损体积的变化 区增加，黏着区减小，当位移幅值为90μm时黏着区 Fig.2 Wear volume as a function of displacement amplitude

第 10 期 李 杰等: 位移幅值对 Inconel600 合金微动磨损性能和机制的影响 小的相对运动( 位移幅值一般为微米量级) ［1 － 4］． 核 电蒸汽发生器传热管常在高温、高压和腐蚀介质环 境下使用，流体导致的振动以及传热管与支撑板之 间存在微小空隙，使得传热管材料发生微动损伤，进 一步造成材料表层裂纹的萌生和扩展． 传热管失效 将导致传热效率下降，严重的情况下会导致一回路 放射性污染和整个蒸汽发生器的报废［5 － 6］． 目前， 微动损伤已成为蒸汽发生器失效的主要原因之一． 目前，国外已有关于核电材料的微动行为的研 究［7 － 9］，但在国内却鲜有报道． 本 文 研 究 了 Inconel600合金材料的微动运行特征和损伤机理，为 核反应堆的关键部件抗微动损伤提供了理论和实验 依据． 1 实验方法 采用德国 Optimol 公司生产的 SＲV Ⅳ摩擦磨损 试验机进行磨损实验． 摩擦副接触方式为球--平面接 触形式，微动方式为切向式． 上试样是直径为 10 mm 的 GCr15 钢球，表面粗糙度 Ｒa = 0. 04 μm，硬度 HV ～ 700，下试样是 Inconel600 合金，硬度 HV ～ 253． 线 切割后的 Inconel600 合金试样( 15 mm × 15 mm) 经过 去毛边除油清洁后，用 502 胶水与不锈钢底座进行黏 合，试件表面经研磨抛光至Ｒa = 0. 04 μm，实验前将试 样表面用乙醇超声清洗． 微动实验主要参数: 法向载 荷为 100 N，微动频率为20 Hz，循环周次为 36000，位 移幅值分别为 30、60、90、120 和 150 μm; 环境温度为 25 ～ 30 ℃，相对湿度为 30% ～ 40% ． 磨损实验结束 后，沿微动方向磨痕边缘切下试样，经环氧树脂封样， 研磨，抛光，用光学显微镜( OM) 、扫描电子显微镜 ( SEM) 、能谱仪( EDS) 、透射电镜( TEM) 等进行形貌 和微观分析． 3D 白光形貌仪可以对磨痕的三维尺寸 及磨损体积进行测量． 2 结果和讨论 图 1( a) 为不同位移幅值下的摩擦因数随循环 周次的变化; 图 1( b) 为平均摩擦因数随位移幅值的 变化． 如图 1( a) 所示，在位移幅值较小的情况下， 摩擦因数曲线波动较小． 随着幅值的增加，由于氧 化和磨损的加剧，磨屑含量增加，使得接触面的实际 情况变得复杂，从而使得曲线波动变大． 图 1( b) 中 平均摩擦因数从位移幅值为 30 μm 时的 0. 34 逐渐 增加至 150 μm 的 0. 83． 位移幅值较小时，接触面的 中心黏着不发生相对运动． 随着位移幅值的增加， 接触面的相对运动容易发生，使得切向力增加，摩擦 图 1 不同位移幅值下摩擦因数曲线( a) 和平均摩擦因数( b) Fig． 1 Friction coefficient curves ( a) and average friction coefficients ( b) at different displacement amplitudes 因数也逐渐增大，微动区域由部分滑移区转变为完 全滑移区． 图 2 为磨损体积随位移幅值的变化． 由 图中可以看出: 位移幅值小于 60 μm 时，随着位移幅 值的 增 加，磨损体积增幅较小; 当位移幅值大于 60 μm时，磨损体积有明显的增加． 图 3 为不同位移幅值下磨痕光学显微镜表面形 貌，图中水平方向对应微动方向． 在位移幅值为 30 μm和 60 μm 下，磨痕形貌呈环状． 磨痕的边缘是 由滑动引起的轻微磨损区，而在磨痕中心所在的大 部分区域则为黏着区． 随着位移幅值的增加，滑动 区增加，黏着区减小，当位移幅值为 90 μm 时黏着区 图 2 随位移幅值增加磨损体积的变化 Fig． 2 Wear volume as a function of displacement amplitude · 9231 ·

·1330· 北京科技大学学报 第36卷 100m 100um 100m 100m fe] 100m 图3位移幅值为30(a),60(b)90(c)、120(d)和150μm(c)下磨痕表面光学显微镜形貌 Fig.3 OM images of worn surfaces at displacement amplitudes of 30 (a),60(b),90 (c),120 (d)and 150 um (e) 消失，整个接触面均为滑动区.磨痕的形状也由圆120μm时磨痕中心局部放大图，分别对应图4(c)中 形逐渐转变为椭圆形 D处和图4(d)中E处.从6(a)可以看出，当幅值为 图4为不同位移幅值下磨痕的扫描电镜形貌及 90um时，循环切向力产生的疲劳使得磨痕氧化层沿 氧元素的分布.位移幅值为30μm和60μm时，黏 滑动方向出现波纹状裂纹.图6(a)G处磨屑中氧 着区域内氧分布密度与磨痕外基体的氧分布密度相 质量分数为5.2%，H处氧质量分数为1%，后者与 差不大，而滑动区域内氧分布密度远高于黏着区域， 磨痕外基体的氧含量一致，因此在位移幅值为90μm 说明氧化反应主要发生在滑动区.随着位移幅值的 时，磨痕表面没有形成连续致密的氧化层.相比之 增加，整个接触区域内即滑动区域，氧含量均高于磨 下，位移幅值为120m时氧化层连续且致密，基体 痕外基体，且氧分布密度逐渐增加 材料中微裂纹基本被覆盖，很少被发现. 图5(a)和(b)是位移幅值为30m磨痕中心和 图7位移幅值为30、60、90、120和150m磨痕 磨痕边缘局部放大图，分别对应图4(a)中A和B 截面扫描电镜形貌.截面取样位置分别对应图4中 处.从图中可以看出，磨痕中心呈现黏着磨损的撕 A、C、D、E和F.从图7(a)可以看出：在黏着区磨痕 裂损伤，而在滑动区和黏着区的交界处，存在微 的横截面中没有裂纹产生；位移幅值60μm时，在黏 裂纹. 着区和滑动区的交界处观察到少量微裂纹：当位移 图6(a)和(b)分别为位移幅值为90um和 幅值增加至90μm,微裂纹数目增加；随着位移幅值

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 位移幅值为 30 ( a) 、60 ( b) 、90 ( c) 、120 ( d) 和 150 μm ( e) 下磨痕表面光学显微镜形貌 Fig． 3 OM images of worn surfaces at displacement amplitudes of 30 ( a) ，60 ( b) ，90 ( c) ，120 ( d) and 150 μm ( e) 消失，整个接触面均为滑动区． 磨痕的形状也由圆 形逐渐转变为椭圆形． 图 4 为不同位移幅值下磨痕的扫描电镜形貌及 氧元素的分布． 位移幅值为 30 μm 和 60 μm 时，黏 着区域内氧分布密度与磨痕外基体的氧分布密度相 差不大，而滑动区域内氧分布密度远高于黏着区域， 说明氧化反应主要发生在滑动区． 随着位移幅值的 增加，整个接触区域内即滑动区域，氧含量均高于磨 痕外基体，且氧分布密度逐渐增加． 图 5( a) 和( b) 是位移幅值为 30 μm 磨痕中心和 磨痕边缘局部放大图，分别对应图 4 ( a) 中 A 和 B 处． 从图中可以看出，磨痕中心呈现黏着磨损的撕 裂损 伤，而在滑动区和黏着区的交界处，存 在 微 裂纹． 图 6( a) 和( b) 分别为位移幅值为 90 μm 和 120 μm时磨痕中心局部放大图，分别对应图 4( c) 中 D 处和图4( d) 中 E 处． 从6( a) 可以看出，当幅值为 90 μm时，循环切向力产生的疲劳使得磨痕氧化层沿 滑动方向出现波纹状裂纹． 图 6( a) G 处磨屑中氧 质量分数为 5. 2% ，H 处氧质量分数为 1% ，后者与 磨痕外基体的氧含量一致，因此在位移幅值为90 μm 时，磨痕表面没有形成连续致密的氧化层． 相比之 下，位移幅值为 120 μm 时氧化层连续且致密，基体 材料中微裂纹基本被覆盖，很少被发现． 图 7 位移幅值为 30、60、90、120 和 150 μm 磨痕 截面扫描电镜形貌． 截面取样位置分别对应图 4 中 A、C、D、E 和 F． 从图 7( a) 可以看出: 在黏着区磨痕 的横截面中没有裂纹产生; 位移幅值 60 μm 时，在黏 着区和滑动区的交界处观察到少量微裂纹; 当位移 幅值增加至 90 μm，微裂纹数目增加; 随着位移幅值 · 0331 ·

第10期 李杰等：位移幅值对Inconele600合金微动磨损性能和机制的影响 ·1331· (a) 150m O Kal 150ui O Kal 2404m O Kal d 300um O Kal (e) 300m OKal 图4位移幅值为30(a)、60(b)、90(c)、120(d)和150μm()磨痕的扫描电镜形貌及氧元素的分布 Fig.4 SEM images and corresponding oxygen distribution of worn surfaces at displacement amplitudes of 30 (a),60 (b),9 (c),120 (d)and 150um(e)

第 10 期 李 杰等: 位移幅值对 Inconel600 合金微动磨损性能和机制的影响 图 4 位移幅值为 30 ( a) 、60 ( b) 、90 ( c) 、120 ( d) 和 150 μm ( e) 磨痕的扫描电镜形貌及氧元素的分布 Fig． 4 SEM images and corresponding oxygen distribution of worn surfaces at displacement amplitudes of 30 ( a) ，60 ( b) ，90 ( c) ，120 ( d) and 150 μm ( e) · 1331 ·

·1332· 北京科技大学学报 第36卷 (b 25 um 25μm 图5位移幅值30μm下磨痕中心(a)和磨痕边缘()局部放大图 Fig.5 Magnified SEM images of the center (a)and the fringe (b)of the worn surface at the displacement amplitude of 30 um 10μm 25m 图6位移幅值为90um(a)和120μm(b)磨痕中心局部放大图 Fig.6 Magnified SEM images of the worn surface center at displacement amplitudes of 90 um (a)and 120 wm (b) 进一步增加，裂纹长度增加，且扩展方向平行于磨痕 射.从图中可以看出，摩擦学转变组织层的晶粒尺 表面，即剥层裂纹形成 寸在100nm左右，其衍射花样成环也说明摩擦学转 显然，当位移幅值为30μm和60um时，微动磨 变组织层的晶粒尺寸在纳米级.基体的晶粒尺寸为 损以接触中心黏着磨损为主伴随接触边缘的氧化磨 15~30μm,因此摩擦学转变组织层的晶粒尺寸远低 痕，所以磨损体积较小.随着位移幅值的增加，接触 于原始的晶粒尺寸，说明微动造成了磨痕表面的纳 面的相对运动增加，磨损机制发生转变，在氧化磨损 米化.研究表明，摩擦学转变组织层超细晶粒度是 和剥层磨损相互作用下，磨损加刷剧0-1山.因此当位 由于表面塑性应变形成的机械微孪晶以及微孪晶和 移幅值增加到90μm时磨损体积急剧增加，但随着 位错进一步交互作用的结果2-1切，其成因需要进一 致密磨屑层的形成，磨屑层的减磨作用使得磨损体 步的研究 积的增幅变缓 3结论 图8(a)和(b)分别为位移幅值为120μm和 150μm的磨痕横截面经腐蚀后的扫描电镜形貌.从 (1)位移幅值对Inconel6O0的微动行为有显著 图中可以看出，磨痕截面组织结构成层状特征.在 影响，随着位移幅值的增加，摩擦因数和磨损体积逐 磨屑层下方存在着严重变形层，一般称为摩擦学转 渐增大. 变组织层，其晶界在扫描电镜下不可见.在严重形 (2)随着位移幅值增加，微动模式由黏着为主 变层下方则为轻度塑性变形层，其晶粒沿微动方向 逐步变为滑移为主.位移幅值为30μm和60μm时， 被拉长，说明在微动过程中磨痕下的组织在剪切力 微动行为以黏着为主，磨损方式为黏着磨损，磨损体 作用下发生了塑性变形.在轻度变形层下方则为原 积较小；当位移幅值超过90μm,微动行为以滑移为 始晶粒层，晶粒尺寸为10~30um. 主，在氧化磨损和剥层磨损的联合相互作用下，磨损 图9(a)和(b)分别为位移幅值为120um时摩 加剧 擦学转变组织层的透射电镜明场像和对应的选区衍 (3)黏着区氧分布密度与磨痕外基体的相差不

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 位移幅值 30 μm 下磨痕中心( a) 和磨痕边缘( b) 局部放大图 Fig． 5 Magnified SEM images of the center ( a) and the fringe ( b) of the worn surface at the displacement amplitude of 30 μm 图 6 位移幅值为 90 μm ( a) 和 120 μm ( b) 磨痕中心局部放大图 Fig． 6 Magnified SEM images of the worn surface center at displacement amplitudes of 90 μm ( a) and 120 μm ( b) 进一步增加，裂纹长度增加，且扩展方向平行于磨痕 表面，即剥层裂纹形成． 显然，当位移幅值为 30 μm 和 60 μm 时，微动磨 损以接触中心黏着磨损为主伴随接触边缘的氧化磨 痕，所以磨损体积较小． 随着位移幅值的增加，接触 面的相对运动增加，磨损机制发生转变，在氧化磨损 和剥层磨损相互作用下，磨损加剧［10 － 11］． 因此当位 移幅值增加到 90 μm 时磨损体积急剧增加，但随着 致密磨屑层的形成，磨屑层的减磨作用使得磨损体 积的增幅变缓． 图 8( a) 和( b) 分别为位移幅值为 120 μm 和 150 μm 的磨痕横截面经腐蚀后的扫描电镜形貌． 从 图中可以看出，磨痕截面组织结构成层状特征． 在 磨屑层下方存在着严重变形层，一般称为摩擦学转 变组织层，其晶界在扫描电镜下不可见． 在严重形 变层下方则为轻度塑性变形层，其晶粒沿微动方向 被拉长，说明在微动过程中磨痕下的组织在剪切力 作用下发生了塑性变形． 在轻度变形层下方则为原 始晶粒层，晶粒尺寸为 10 ～ 30 μm． 图 9( a) 和( b) 分别为位移幅值为 120 μm 时摩 擦学转变组织层的透射电镜明场像和对应的选区衍 射． 从图中可以看出，摩擦学转变组织层的晶粒尺 寸在 100 nm 左右，其衍射花样成环也说明摩擦学转 变组织层的晶粒尺寸在纳米级． 基体的晶粒尺寸为 15 ～ 30 μm，因此摩擦学转变组织层的晶粒尺寸远低 于原始的晶粒尺寸，说明微动造成了磨痕表面的纳 米化． 研究表明，摩擦学转变组织层超细晶粒度是 由于表面塑性应变形成的机械微孪晶以及微孪晶和 位错进一步交互作用的结果［12 － 14］，其成因需要进一 步的研究． 3 结论 ( 1) 位移幅值对 Inconel600 的微动行为有显著 影响，随着位移幅值的增加，摩擦因数和磨损体积逐 渐增大． ( 2) 随着位移幅值增加，微动模式由黏着为主 逐步变为滑移为主． 位移幅值为 30 μm 和60 μm时， 微动行为以黏着为主，磨损方式为黏着磨损，磨损体 积较小; 当位移幅值超过 90 μm，微动行为以滑移为 主，在氧化磨损和剥层磨损的联合相互作用下，磨损 加剧． ( 3) 黏着区氧分布密度与磨痕外基体的相差不 · 2331 ·

第10期 李杰等：位移幅值对Inconel6O0合金微动磨损性能和机制的影响 ·1333· b 20m 204m d 20μm 20 um 图7位移幅值为30(a).60(b)、90(c)、120(d)和150μm(e)磨痕截面扫描电镜形貌 Fig.7 Cross-sectional SEM morphologies of wear scars at displacement amplitudes of 30 (a),60 (b),90(c),120 (d)and 150 um (e) 25m 25 um 图8位移幅值为120μm(a)和150m(b)时经腐蚀后磨痕截面扫描电镜形貌 Fig.8 SEM images of corroded worn cross-sections at the amplitudes of 120 um (a)and150 um (b) 大.氧化主要发生在滑动区，滑动区氧分布密度远 现微裂纹. 高于黏着区. (5)微动使得磨痕截面组织呈层状特征，引起 (4)微裂纹只在黏着区和滑移区的交界处及滑 了磨痕区亚表面摩擦学转变组织层材料组织的纳 移区内萌生并扩展：在黏着区的表面和截面均未发 米化

第 10 期 李 杰等: 位移幅值对 Inconel600 合金微动磨损性能和机制的影响 图 7 位移幅值为 30 ( a) 、60 ( b) 、90 ( c) 、120 ( d) 和 150 μm ( e) 磨痕截面扫描电镜形貌 Fig． 7 Cross-sectional SEM morphologies of wear scars at displacement amplitudes of 30 ( a) ，60 ( b) ，90 ( c) ，120 ( d) and 150 μm ( e) 图 8 位移幅值为 120 μm ( a) 和 150 μm ( b) 时经腐蚀后磨痕截面扫描电镜形貌 Fig． 8 SEM images of corroded worn cross-sections at the amplitudes of 120 μm ( a) and150 μm ( b) 大． 氧化主要发生在滑动区，滑动区氧分布密度远 高于黏着区． ( 4) 微裂纹只在黏着区和滑移区的交界处及滑 移区内萌生并扩展; 在黏着区的表面和截面均未发 现微裂纹． ( 5) 微动使得磨痕截面组织呈层状特征，引起 了磨痕区亚表面摩擦学转变组织层材料组织的纳 米化． · 3331 ·

·1334· 北京科技大学学报 第36卷 (a) (b) 25 um 图9位移幅值为120m时摩擦学转变组织层透射电镜明场形貌(a)和对应的选区衍射花样(b) Fig.9 TEM bright field image (a)and corresponding SAD pattern (b)of tribological transformed structure at a displacement amplitude of 120 um 参考文献 6]Attia M H,Magel E.Experimental investigation of long-term fret- ting wear of multi-span steam generator tube with U-bend sections. Zhou Z R,Luo WL,Liu JJ.Present status and perspectives of Wemr,1999,225229:563 fretting tribology.Tribology,1997,7(3):272 Kim DC,Lee YZ.Experimental investigation on sliding and fret- (周仲荣，罗唯力，刘家浚.微动摩擦学的发展现状与趋势 ting wear of steam generator tube materials.Wear,2001,250: 摩擦学学报，1997,17(3)：272) 673 Zhou Z R,Zhu M H.Composite Fretting Wear.Shanghai:Shang- [8]Lee Y H,Kim H K,Kim H D,et al.A comparative study on the hai Jiao Tong University Press,2004 fretting wear of steam generator tubes in Korean power plants. (周仲荣，朱旻吴.复合微动磨损.上海：上海交通大学出版 We,2003,255(712):1198 社，2004) Chung I,Lee M.An experimental study on fretting wear behavior 3]Tang H.Fretting damage,one of world-wide difficulties in the of cross-contacting Inconel 690 tubes.Nucl Eng Des,2011,241 field of nuclear power equipment and structures for a long-erm. (10):4103 Nucl Pouer Eng,2000,21(3):221 [10]Fouvry S,Kapsa Ph,Vincent L.An elastic-plastic shakedown (唐辉.世界核电设备与结构将长期面临的一个问题：微动 analysis of fretting wear.Wear,2001,247(1):41 损伤.核动力工程，2000,21(3)：221) [11]Fouvry S,LiskiewiczT,Kapsa Ph,et al.An energy description 4]Shen C B,Tao X J,Yao H Y,et al.A review of corrosion failure of wear mechanisms and its applications to oscillating sliding con- and its prevention of generator's tubings under high-temperature tacts.Wear,2003,255(16):287 and high-pressure water.Corros Sci Prot Technol,2003,15(4): 12]Sauger E,Fouvry S,Ponsonnet L,et al.Tribologically trans- 223 formed structure in fretting.Wear,2000,245(12):39 (沈长斌，陶晓杰，杨怀玉，等.高温高压水环境下传热管失 [13]Sauger E,Ponsonnet L,Martin J M,et al.Study of the tribologi- 效形式及防腐措施研究进展.腐蚀科学与防护技术，2003,15 cally transformed structure created during fretting tests.Tribol (4):223) mt,2000,33(11):743 [5]Pettigrew MJ,Taylor CE,Fisher N J,et al.Flow-induced vibra- [14]Tao N R,Wu X L,Sui M L,et al.Grain refinement at the tion:recent findings and open questions.Nucl Eng Des,1998, nanoscale via mechanical twinning and dislocation interaction in a 185(23):249 nickel-based allov.J Mater Res,2004,19(6):1623

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 9 位移幅值为 120 μm 时摩擦学转变组织层透射电镜明场形貌( a) 和对应的选区衍射花样( b) Fig． 9 TEM bright field image ( a) and corresponding SAD pattern ( b) of tribological transformed structure at a displacement amplitude of 120 μm 参 考 文 献 ［1］ Zhou Z Ｒ，Luo W L，Liu J J． Present status and perspectives of fretting tribology． Tribology，1997，7( 3) : 272 ( 周仲荣，罗唯力，刘家浚． 微动摩擦学的发展现状与趋势． 摩擦学学报，1997，17( 3) : 272) ［2］ Zhou Z Ｒ，Zhu M H． Composite Fretting Wear． Shanghai: Shang￾hai Jiao Tong University Press，2004 ( 周仲荣，朱旻昊． 复合微动磨损． 上海: 上海交通大学出版 社，2004) ［3］ Tang H． Fretting damage，one of world-wide difficulties in the field of nuclear power equipment and structures for a long-term． Nucl Power Eng，2000，21( 3) : 221 ( 唐辉． 世界核电设备与结构将长期面临的一个问题: 微动 损伤． 核动力工程，2000，21( 3) : 221) ［4］ Shen C B，Tao X J，Yao H Y，et al． A review of corrosion failure and its prevention of generator's tubings under high-temperature and high-pressure water． Corros Sci Prot Technol，2003，15( 4) : 223 ( 沈长斌，陶晓杰，杨怀玉，等． 高温高压水环境下传热管失 效形式及防腐措施研究进展． 腐蚀科学与防护技术，2003，15 ( 4) : 223) ［5］ Pettigrew M J，Taylor C E，Fisher N J，et al． Flow-induced vibra￾tion: recent findings and open questions． Nucl Eng Des，1998， 185( 2-3) : 249 ［6］ Attia M H，Magel E． Experimental investigation of long-term fret￾ting wear of multi-span steam generator tube with U-bend sections． Wear，1999，225-229: 563 ［7］ Kim D G，Lee Y Z． Experimental investigation on sliding and fret￾ting wear of steam generator tube materials． Wear，2001，250: 673 ［8］ Lee Y H，Kim H K，Kim H D，et al． A comparative study on the fretting wear of steam generator tubes in Korean power plants． Wear，2003，255( 7-12) : 1198 ［9］ Chung I，Lee M． An experimental study on fretting wear behavior of cross-contacting Inconel 690 tubes． Nucl Eng Des，2011，241 ( 10) : 4103 ［10］ Fouvry S，Kapsa Ph，Vincent L． An elastic-plastic shakedown analysis of fretting wear． Wear，2001，247( 1) : 41 ［11］ Fouvry S，Liskiewicz T，Kapsa Ph，et al． An energy description of wear mechanisms and its applications to oscillating sliding con￾tacts． Wear，2003，255( 1-6) : 287 ［12］ Sauger E，Fouvry S，Ponsonnet L，et al． Tribologically trans￾formed structure in fretting． Wear，2000，245( 1-2) : 39 ［13］ Sauger E，Ponsonnet L，Martin J M，et al． Study of the tribologi￾cally transformed structure created during fretting tests． Tribol Int，2000，33( 11) : 743 ［14］ Tao N Ｒ，Wu X L，Sui M L，et al． Grain refinement at the nanoscale via mechanical twinning and dislocation interaction in a nickel-based alloy． J Mater Ｒes，2004，19( 6) : 1623 · 4331 ·