金刚石纳米尺度磨损的温度效应研究

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单晶金刚石纳米尺度磨削磨损过程中,磨粒的局部温度变化严重影响着道具的使用寿命和工件的表面质量。在磨损过程中磨粒整体与局部接触区的温度变化可能对磨粒硬度造成重大影响,目前温度因素对单晶纳米金刚石的摩擦磨损过程的磨损率的影响关系尚不清楚。本文采用分子动力学(MD)仿真手段,考虑体系整体温度和磨粒滑动过程中局部接触区域温度的变化,对磨粒磨损过程中的磨损量进行计算,探讨了摩擦磨损过程中的温度对磨损率的影响。另外考虑了载荷对磨损过程中局部接触区温度变化以及磨损速率的影响。并且讨论了经典Achard模型在计算微观结构磨损量时的局限性。具体研究内容如下:(1)通过分子动力学模拟方法建立了单晶金刚石的分子动力学模型并进行摩擦磨损过程的模拟,分析体系整体温度和局部接触区温度变化对纳米尺度金刚石磨损过程的影响。体系设定了300K~900K的不同初始温度,根据计算磨粒与工件表面局部接触区域的热运动速度,计算了磨损过程中的局部接触区域温度。利用可视化软件,观察了各温度模型磨损过程中的原子分布与磨损高度变化。通过从体系整体温度和摩擦接触面局部温度变化对磨损过程进行分析,探讨了温度与磨损过程中磨粒丢失原子数和磨损高度的关系,认为温度升高时单晶金刚石硬度减小,加快了磨损速率。(2)分析了同一体系温度下,不同载荷大小对纳米尺度金刚石磨损过程中局部接触区温度变化和磨损率的影响。给金刚石磨粒施加12nN~72nN的不同载荷,通过分析磨损过程中磨损面的局部温度变化和磨损高度,结果显示在同一体系温度下,改变载荷大小对磨损表面接触区域最高温度的影响不明显,但是载荷大小对磨损量影响较大,磨粒表面法向载荷越大,磨损率越高。(3)讨论了经典Achard模型在计算微观结构磨损量时的局限性。根据经典Achard模型计算公式V(28)kFNL,对磨粒磨损高度与磨粒滑动距离的关系进行理论求解,根据求得的公式对不同温度和载荷下的MD仿真结果进行拟合。对比拟合结果与仿真结果,Achard计算公式拟合的曲线与不同体系温度和载荷大小下的MD仿真结果相比在初始阶段磨损量差距较大,而且拟合曲线之间磨损量差距大小随体系初始温度的不同而改变。因此我们认为Achard计算模型不再适用于考虑温度变化的单晶金刚石纳米尺度的磨损量计算。
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