三體磨損過程的離散元模型

《三體磨損過程的離散元模型》是依託西安交通大學，由方亮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三體磨損過程的離散元模型
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：方亮
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

三體磨損是工農業中最常見的磨損形式，消耗著大量的材料和能源。開展對三體磨損過程的研究，有助於為材料和機械設備設計提供幫助，也符合建設資源節約型國家的基本發展宗旨。申請人在以前研究工作的基礎上，提出將離散元法引入三體磨損的研究，旨在為三體磨損研究提供一種新的研究思路和方法。研究擬從具有不同幾何特徵磨粒出發，構建磨粒離散元模型、滑動副材料晶粒與相分布集團散體單元模型，進一步集成新的散體單元相互作用模型，建立適用於三體磨損的離散元模擬方法，並與三體磨損實驗進行對比。期望得到能夠反映實際磨粒幾何特徵的三體磨損過程的離散元模型，進而為材料三體磨損機理及磨損率預測提供理論依據；為三體磨損中磨粒運動方式、運動軌跡及與摩擦副相互作用力計算建立新的手段，為三體磨損條件下的抗磨材料設計提供新思路。

結題摘要

三體磨損是工農業中最常見的磨損形式，消耗著大量的材料和能源。開展對三體磨損過程的研究，有助於為材料和機械設備設計提供幫助，也符合建設資源節約型國家的基本發展宗旨。申請人在以前研究工作的基礎上，提出將離散元法引入三體磨損的研究，旨在為三體磨損研究提供一種新的研究思路和方法。同時，申請人採用與離散元方法具有類似理論基礎和程式框架的分子動力方法研究了納米尺度上的三體磨料磨損過程。 項目首先建立了SiC陶瓷的離散元模型，研究了壓痕過程中SiC陶瓷的力學性能和裂紋的初始、擴展過程，分析了壓頭載入速度、壓頭錐角和形狀、壓頭位置、試樣圍壓以及試樣強度對SiC陶瓷力學性能和裂擴展的影響規律。進一步基於摩擦環路理論，建立了三體磨料磨損的離散元模型；研究了第三體流的生成、排出等變化規律及對摩擦磨損結果的影響規律。結果表明，通過增加磨料的粘附力等方法降低第三體的流動性可以有效的降低三體磨料磨損。 分子動力學方面，項目圍繞單晶金屬納米線單軸拉伸測試中長度方向上的“外在尺度效應”及塑性機制、納米孿晶銅納米壓痕測試中的“內在尺度效應”及塑性機制、單晶矽薄膜納米壓痕及其相變機理、單晶矽納米磨料磨損行為及磨損機理四個方面的內容開展了研究工作。研究結果表明材料的力學性能不僅與其外部特徵尺度相關表現出顯著的“外在尺度效應”，而且與其內部特徵尺度相關聯表現出顯著的“內在尺度效應”。材料力學性能的尺度效應也會造成材料磨料磨損過程的“尺度效應”。 項目提出了一個新的納米三體磨料磨損的分子動力學模型。採用該模型研究了單晶矽-金剛石磨損系統中納米磨粒的運動方式；建立了考慮彈性回復的磨料運動方式判斷準則。對比研究了單晶矽納米二體磨料磨損和納米三體磨料磨損的磨損機理及其轉變條件；分析了納米尺度上磨料磨損的摩擦法則；揭示了納米磨料磨損中單晶矽薄膜的塑性變形機理——相變機理；闡明了納米磨料磨損中單晶矽的相變路徑；表征了納米壓痕、納米磨料磨損總生成等Si-2、bct5、低密度非晶、高密度非晶相的結構特徵；最後提出了單晶矽相變的應力機制。