【摘要】：本文以石油鉆井泵陶瓷缸套為應用背景，對Y-TZP基陶瓷材料的摩擦磨損性能進行了系統(tǒng)的研究。 3Y-TZP///(Mg,Y)-PSZ干摩擦時，3Y-TZP的磨損率與載荷和速度有關(guān)；而水潤滑下，磨損率主要與載荷有關(guān)。水潤滑下陶瓷磨損率較干摩擦時的要低。干摩擦時3Y-TZP表面溫度隨速度和載荷的增大而升高，且隨滑動時間的延長而升高。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，，陶瓷硬度對耐磨性起主導作用，高載荷(500N)時，相變增韌機制對陶瓷耐磨性有明顯貢獻。機械混合和化學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。磨粒對陶瓷磨損性能影響的研究表明，尖銳的和硬的磨粒會降低陶瓷耐磨性。 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。在載荷應力作用下t-ZrO2會發(fā)生馬氏體相變，相變增韌有助于提高陶瓷的耐磨性。t-ZrO2太小，不能發(fā)生應力誘導相變增韌而無助于耐磨性；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。因此提出了不宜簡單地用W-1∝G-1/2來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、閉氣孔的存在都對陶瓷的耐磨性有負面影響。 首次研究了Y-TZP中引入適量的莫來石(MDZ)可提高耐磨性。柱狀莫來石的存在對提高耐磨性的主要貢獻為：⑴阻礙裂紋擴展，橋聯(lián)增韌，消耗裂紋成核、擴展的能量；⑵阻止晶界滑移；⑶抑制ZrO2晶粒的異常長大，使MDZ致密化。MDZ的主要磨損機制為微犁削、塑性變形和柱狀莫來石晶粒脫落。 根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場應用情況所估算出的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)場應用結(jié)果相當，說明在模擬工況下來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較低的狀態(tài)，即降低了化學自由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)四方相在應力誘導下相變對裂紋尖端能量的吸收作用，經(jīng)過二努力，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相變增韌陶瓷材料，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。

即表面相變增韌，與玻璃陶瓷通過熱處理表面研磨、噴砂、低溫深冷處理以及化學顆粒轉(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表面的缺陷敏感，產(chǎn)生破壞。實際上，通過顯微結(jié)構(gòu)設計可以使多個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，有些機理的相互作用可能是有害增韌作用。例如，兩種橋聯(lián)同時起作用，較大而影響另一個橋聯(lián)的發(fā)揮。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2003
【分類號】：TB321

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