耐磨损试验机

7月30日，科技日报记者从中国科学院兰州化学物理研究所了解到，该所固体润滑国家重点实验室高温摩擦学课题组在新型润滑耐磨损高熵/中熵合金设计制备和性能调控等方面进行了系统研究，取得了系列进展。给出一种构筑多级纳米异质结构和成分波动特征来实现合金低磨损的新方法，相关研究成果近日发表于综合性学术期刊《研究》。新型高熵/中熵合金具有诸多新奇特性，为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新启发，是目前材料学和摩擦学研究的热点和前沿。在解决高温润滑与磨损方面具有重要应用价值传统合金往往是由一种或两种主要金属元素构成，其他合金化元素的比例相对很低。高熵/中熵合金是近年来发展起来的有别于传统合金的新型合金。高熵合金和中熵合金是由多种主要金属元素构成的合金，二者只是在主要金属元素的种类和数量上有差异。一般而言，高熵合金包含5个或5个以上等原子比的金属元素，而中熵合金则包含3个金属元素。高熵/中熵合金展现出许多优异的力学和物理性能。“高熵/中熵合金有几个明显的特点，主要包括组织结构表现出复杂异质性、成分表现出多组元特征，具有‘质剂不分’的浓缩固溶体结构、晶体结构表现出连续畸变性。”中国科学院兰州化学物理研究所研究员程军介绍，基于其独特的异质结构、成分波动、多级纳米析出相等微观组织结构和多组元特征，高熵/中熵合金展现出卓越的强度—塑性组合、高温结构稳定性、摩擦界面自保护、高温抗氧化等新奇特性。与传统合金相比，高熵/中熵合金具有非常广阔的成分调控空间，通过对高熵/中熵合金中的元素进行替换或增减，能获得一些具有特殊性能的微观组织结构和异质相，为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新思路。程军告诉记者，针对高熵/中熵合金体系开展润滑耐磨损成分设计，采用熔炼、粉末冶金或喷涂等工艺即可制备出具有润滑与耐磨损性能的高熵/中熵合金材料。“这类新型材料在解决航空航天、轨道交通、核能等领域高端装备运动与传动部件的高温润滑与磨损难题方面具有重要的应用价值和应用前景。”程军介绍。强度、塑性、热稳定性和耐磨性优于传统合金中低温下，金属材料摩擦表界面会发生严重的弹塑性变形、局部断裂和磨粒磨损，而高温下则会发生材料黏着、软化变形和氧化磨损，这些因素导致金属材料在宽温度范围内表现出严重的摩擦磨损。针对上述问题，晶粒细化和复合润滑相/抗磨相是目前提高金属材料耐磨损性能的主要手段。“但是，这两类方法通常会引发新的问题，如当晶粒细化至纳米尺度时，可能会在摩擦过程中引发严重的纳米晶不均匀塑性变形，增加磨损；复合润滑相/抗磨相和基体相之间的错配界面可能会使摩擦界面在磨损过程中发生脆性断裂。”程军说。研究表明，如果在摩擦副界面之间引入一个能够逐级释放摩擦应力的界面层，可极大减小摩擦过程中不均匀塑性变形和界面错配导致的磨损问题。然而，这种特殊的界面层难以通过常规的制备或加工手段获得。基于这个问题，研究人员考虑是否可通过调控合金的成分和结构设计制备一种新型金属材料，使其能在中低温摩擦过程中原位形成逐级释放应力的梯度界面耐磨层，高温摩擦过程中形成耐磨损釉质层，从而在宽温度范围内保持稳定的低磨损性能。高熵/中熵合金独特的浓缩固溶体结构使其表现出优于传统合金的强度、塑性、热稳定性和耐磨性等性能。因此，研究人员以镍元素为溶剂，引入等摩尔比的铝、铌、钛和钒4种元素作为合金化元素，通过将合金化浓度从25 at.%（原子百分数）提高至50 at.%，制备了一种具有纳米分级结构和成分波动特征的新型镍铝铌钛钒中熵合金。为了使溶质元素之间形成高混合熵的过饱和固溶体结构，元素粉末需经历32小时的机械合金化过程，形成面心立方结构和体心立方结构的混合固溶体粉末。研究人员通过放电等离子烧结使粉末在1050℃发生异质相分离，并在冷却后固结成型，最终形成高体积分数的纳米耦合晶粒相和分级纳米沉淀相，其呈现纳米分级结构和成分波动特征。纳米分级结构异质相的形成将使合金可在磨损诱导的变形过程中沿深度方向原位形成梯度界面层，选用高浓度的易氧化的铝和铌会促进合金在高温摩擦过程中快速形成保护性氧化釉质层。此外，高浓度的钛可显著提升合金体系的晶格畸变效应，从而提高摩擦界面层的屈服强度。“与传统合金相比，该合金的结构由分级纳米耦合晶粒组成，表现出纳米尺度的成分波动特征，这种独特的异质性结构使合金在室温至800℃宽温度范围内的磨损过程中自发激活自适应摩擦界面保护行为，形成耐磨损纳米梯度摩擦层或釉质层。该材料作为高温抗磨材料具有重要的应用价值。”程军说。他认为该合金成分可调、可采用热压、喷涂等多种工艺固化成型，有望实现产业化应用。

随着人类社会步入高龄化阶段，骨与关节损伤成为人们生活中常见的疾病之一。各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。目前广泛采用人工关节置换术来解决这一问题，但置换关节的使用寿命有限，而且人工关节材料在运动过程中会产生较大的摩擦磨损，置换关节因摩擦磨损产生的磨屑会引起置换关节的晚期松动，最终导致关节置换失败。因此，研究具有优异摩擦磨损性能的人工关节置换材料具有重要的现实意义，而研制出能够模拟人体关节真实运动的摩擦试验机成为研究的关键。 目前，全球已有约 3000 万人植入了人工关节，每年的置换量约为 200万例，仅在美国，每年大约有 50万人进行关节置换手术。针对全球的这一情况，联合国世界卫生组织将21 世纪第一个十年定为“骨和关节十年"。关节疾病同样是中国人群中的高发病率病种。《中华骨科杂志》6月16日发表一篇题为《关节外科的未来》的论文，提到：2019年我国的人工髋、膝关节置换手术量已经超过了90万例，且仍在以接近每年20%的速度快速增长。目前要求人工髋关节在人体内工作 30年或更长时间[3]，于是新的问题出现了。如同Mallory所言:“所有的人工髋关节最终都会失败，这是一个患者寿命与假体寿命的赛跑。"因此，加强研制人工关节置换技术，提高置换关节的使用寿命，具有现实而深远的意义。 人工关节置换手术的成功与否，与关节置换材料的性能有着不可分割的关系。从临床医学来看，作为人工关节置换用的人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足以下几点要求:1)生物相容性好。要求人工关节材料和人体组织接触后，在材料一组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受，且材料对人体的正常生理功能无不良影响，无毒，无排异反应 2)生物力学相容性好。植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性要相匹配，在负载情况下，人工关节假体与其接触的组织所发生的形变要彼此协调 3)生物结合性能好。要求人工关节材料与周围骨组织结合良好，使用过程中不发生相对移动和下沉 4)材料要具有一定的可降解性，可以逐渐被人体再生骨组织所替代:5)优良的生物摩擦学性能。要求材料的摩擦系数低，耐磨损能力强，磨损颗粒生成率低，以保证置换关节有较长的临床寿命 6)良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。要求植入假体在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化，反复承受交变应力不会引起材料的破损。为了提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限，国内外研究人员对于人工关节材料的摩擦磨损性能开展了大量的研究工作。 凯尔测控试验系统（天津）有限公司推出了一款多功能关节磨损试验系统，基于模拟步行的受力和运动的体外磨损试验标准（ISO14242）可实现测试多种关节置换以及生物关节标本的磨损和寿命耐久性测试，还可以测试多轴载荷条件导致的种植体失效模式。这款设备是一款多功能的关节摩擦磨损试验机设备，可实现垂直轴向加载、水平往复、三轴旋转 的动作，其先进的控制能力和扩展的运动范围，更准确的模拟关节运动。全髋关节的磨损 ISO 14242-1/YY/T 0651.1 、 ISO 14242-2/YY/T 0651.2 、 ISO 14242-3/YY/T 0651.3 全膝关节的磨损 ISO 14243-1/YY/T 1426.1 、 ISO 14243-2/YY/T 1426.2 、 ISO 14243-3/YY/T 1426.3凯尔测控公司介绍 凯尔测控是一家专业从事开发、生产、销售各类力学试验系统的国家高新技术企业，自2008年成立以来一直致力于发展新的测试方法。先后与清华大学、北京大学、中科院金属所、中国工程物理研究院等国内著名高校、科研院所建立密切合作，持续在航空、航天、核电等关键领域进行技术研发与投入。公司拥有各类力学性能试验机四个系列四十余个品种，主导产品电磁式疲劳试验系统、原位力学试验系统、原位双轴力学试验系统、拉扭多轴疲劳试验机等测试系统打破国外设备的垄断。凭借着过硬的技术、性能优良的产品和专业妥善的服务，凯尔测控赢得了众多用户的信赖。　　在发展过程中，凯尔测控始终坚持以用户需求为导向，以市场发展为指引，以技术创新为动力，力求不断推出实用、好用、易用、耐用的仪器设备，为客户提供成熟的解决方案。近日，凯尔测控新品再度来袭，为医学科研用户带来了新体验。

近日，由长春机械科学研究院有限公司为自贡硬质合金有限责任公司研发制造的中国第一台工具动载冲击磨损试验机顺利通过专家组验收。 该试验机具有磨损试验、冲击试验、冲击磨损负荷试验三种功能 磨损试验：试验力从初始值0.2%FS到设定值后进行负荷保持试验，转头同时以设定的转速转动磨损。 冲击试验：试验力从初始值0到设定值反复施加力，频率在0-1200次/min(0-20Hz)范围内任意设定，此时不做旋转磨损运动。 冲击磨损负荷试验：试验力从初始值0到设定值反复施加力，频率在0-1200次/min(0-20Hz)范围内任意设定，转头同时以设定的转速转动磨损。 该设备为硬质合金产品切削刀具、耐磨零件、矿用合金、型材和硬面材料等产品的测试提供技术保障。 工具动载冲击磨损试验机的成功研制是我院在硬质材料试验领域取得的又一突破，我院专家团队凭借五十多年技术积累，不断创新，在各个细分试验领域都取得了关键性突破，一举奠定了我院在国内疲劳试验机领域的领军地位。 近年来，我院在专用疲劳（寿命）试验机领域连续发力，研发制造出一大批具有国际领先水平的试验设备，包括：3000kN卧式疲劳试验机、万向节总成疲劳试验台、管材扭转疲劳试验机、2000kN超低温电液伺服疲劳试验机、减震器90度旋转综合性能试验台、车桥板弹簧疲劳试验台、大吨位锚链疲劳试验机、关节轴承疲劳试验机、汽车轮毂疲劳试验机、火车轮毂疲劳试验机等。得到了核物理研究所、龙溪轴承、远东传动轴、中科院金属所、孔辉汽车、SKF等国内外行业顶尖企业、单位的一致好评。 自贡硬质合金有限责任公司是中国于1965年自行设计建设的第一家硬质合金和钨钼制品生产企业，是世界级大型硬质合金和钨钼制品生产企业，是世界500强中国五矿集团公司的成员单位，在世界硬质合金行业居于举足轻重的地位，注册商标“长城”品牌获“中国驰名商标”称号。关注:【长春机械院】微信号:cimachtest