锆-4和AISI 304不锈钢材料在水滑动条件下的实验和理论分析

摘要

目前的工作是模拟印度高压重水反应堆(PHWRs)燃料束轴瓦(锆-4)和弹匣转子管(AISI 304不锈钢)材料的滑动磨损相互作用。在此基础上，提出了实验方案。目的是建立一个相关的负荷和滑动速度与体积损失和摩擦系数(COF)。这些相关性是通过多元线性回归得到的。实验结果的处理是基于平均分析和方差分析(ANOVA)。利用扫描电镜进行了磨损表面分析，确定了磨损机理。方差分析表明，载荷因素对摩擦系数影响较大(~73%)。在特定的接触压力后，由于润滑膜的缺失和金属间接触的增加，COF突然升高到很高的值。AISI 304不锈钢和锆4不锈钢的体积损失分别受到负载(~90%)和速度(~65%)的影响。磨损表面在所有PV条件下都表现出变形、粘附和压实。 Contact pressures above 475 MPa indicated formation of ratcheting mechanisms and formation of fatigue striation marks. Due to low yield strength of AISI 304 SS, volume loss was on higher side than that of Zr-4.

1.简介

锆及其合金具有较低的热中子吸收截面、良好的耐水性和良好的机械性能，是核反应堆部件的首选材料[1]。从锆合金材料与不同材料的滑动接触角度评价其摩擦学性能具有重要意义。在印度压水重水反应堆(PHWRs)中锆合金的一些常见应用是燃料包壳、冷却剂管和燃料元件的轴承垫。许多研究者对锆合金材料的摩擦学性能进行了评价;但考虑到其在燃料包壳管中的应用，大部分的研究工作都是针对微动磨损分析[2- - - - - -5]。滑动磨损研究很少，文献中仅有少数案例可供参考[6,7]。G. Sharma等人[6]研究在水下滑动磨损和危害316不锈钢配合面锆锡合金-4材料的摩擦性能。通过将它们鉴定主要的磨损机制微点，低负载状态下微切削，并且在较高的载荷而变形的地下区域的层间剥离。P. J.布劳[7]在一些非晶态金属的他的工作中研究和干油润滑性能，包括锆合金（Zr类的Cu-Ni-Ti类的Al）。他认为，需要更多的研究，以确定这种材料比磨损关键型应用程序的适用性。R.普里亚等。[8研究了锆-702和锆-4在干燥和电解环境下的摩擦学性能。他们证实了Ti和Zr基材料的磨损和腐蚀协同效应比AISI 304L SS更明显。

摩擦学研究的重点是在过去几十年中体积损失和摩擦数据的统计分析。R. Sinha等。[10]使用上销 - 盘摩擦计全因子设计进行磨损实验的Mn /钢对。每一输入因子的影响进行了检查，以了解它的减肥效果。从方差表的分析而获得的回归方程用于减肥的预测。五，五Monikandan等。[11利用全因子设计对铝基复合材料的摩擦学性能进行了统计分析。方差分析揭示了影响磨损损失和摩擦系数的统计学和物理显著性因素。

锆石-4在滑动接触中的主要应用之一是印度高压重水反应堆(PHWRs)燃料束的轴承座。在其使用期间，燃料束会在反应堆内部和外部的不同位置移动。为防止损坏，燃料束的外部元件上设有轴瓦。在加载加油机器，燃料束轴承垫来与杂志转子管滑动相互作用。轴瓦和夹芯转子管材料分别为锆4合金和AISI 304不锈钢，采用相似材料对进行试验评价。考虑了一些极端的操作条件，选择了滑动速度和接触压力等操作参数。实验结果的处理是基于分析平均值和方差分析。

2.实验

2.1。材料

锆锡合金4英寸（40 mm×20mm的×3mm的尺寸）的样品板从知名供应商采购。和0.4的平均表面粗糙度（Ra）值：用抛光机（LaboPol-5，丹麦Struers公司制作）样品金相抛光μ米达到了。AISI 304不锈钢球（12.7毫米直径AFBMA评价25）被选定为一个配合面材料。详述材料性质报告于表1。


财产	值

材料	Zircaloy-4	符合美国钢铁协会的304不锈钢
作文(wt %)	Sn = 1.3,	C= 0.08, Cr=19，， Mn= 2，
作文(wt %)	Fe+Cr =0.30, Fe =0.2, Zr =剩余	Ni=9, P= 0.035,S= 0.03,Si=1, Fe=剩余
密度(通用汽车/ cc)	6.56	8
抗拉强度(MPa)	514	505
屈服强度(MPa)	381	215
硬度（洛氏B）	89	70
硬度(Vickers)	180	129
弹性模量，E (GPa)	99.3	193
泊松比,γ	0.37	0.265

2.2。摩擦学的测试

试验是用往复球 - 板构造磨损和摩擦机（TE-70，Phoneix摩擦学有限公司，英国）上进行。试验是在去矿质水（10.5的pH）在室温下进行。为了保持均匀的试验条件下，用于每个测试新的球。标本进行超声波浴丙酮浸泡测试前清洗。滑动速度（V）和接触压力（P）为0.015，0.020，0.025米/秒（7.5，10，12.5赫兹的频率）和475，555，616兆帕（5，8，11 N负载）的范围内，分别。球被以滑动由在板样品与选定的滑动速度（保持滑动0.001米恒定的幅度）为不同的持续时间。所有测试均在〜百米恒定滑动距离进行。每个测试重复3次，以验证结果的可重复性。报告结果的平均值。 Wear track profiles were formed on the plate due to ball sliding. 3D profilometry (Taylor Hobson CCI Optics, UK) was carried out to calculate dimensions of wear scar. Wear mechanisms after sliding were studied in detail by SEM (Carl Zeiss EVO 40, Germany).

2.3。实验计划(田口的技术)

在制定实验计划时，采用田口法对三个层次的两个因素进行分析。水平指的是各因素所取的值。在表2指出了需要研究的因素和相应层次的分配。


运行	速度(米/秒)	负载(N)

1	0.015	5
2	0.020	8
3.	0.025	11

所选正交数组为L9 (3)²)，它有9行，对应于测试的数量(8个自由度)，有3个级别的4列，如表所示3.。这些因素和交互被分配给列。实验计划为9个测试(数组行)，其中第一列分配荷载(F)，第二列分配速度(v)，其余分配交互作用。


运行	负载(N)	速度(米/秒)	摩擦系数（μ)	卷损失(毫米^3.)
运行	负载(N)	速度(米/秒)	摩擦系数（μ)	为球(AISI 304 SS)	为板(Zr-4)

1	5	0.015	0.234	0.00782	0.00418
2	5	0.020	0.247	0.00947	0.00822
3.	5	0.025	0.252	0.00552	0.00671
4	8	0.015	0.244	0.00879	0.00537
5	8	0.020	0.257	0.01058	0.01050
6	8	0.025	0.265	0.01002	0.00785
7	11	0.015	0.272	0.01860	0.00727
8	11	0.020	0.278	0.01760	0.01210
9	11	0.025	0.304	0.01530	0.01010

该试验方案的制定旨在联系的影响的荷载，接触速度与摩擦系数，和体积损失。表格3.介绍分析的结果。

3.结果与讨论

3.1。摩擦系数

数字1给出了摩擦系数随滑动距离的典型变化规律。图稳定后，计算并报告COF的平均值。数字2给出了摩擦系数随滑动速度和接触压力的变化规律。典型的趋势是COF随接触压力的增加而增加。COF的一般范围为0.23-0.30。

一般情况下，COF随接触压力的增大而减小;然而，氧化物的性质、磨损颗粒的产生、润滑类型等其他参数可能会影响这一趋势。摩擦系数是输入能量以各种形式转换和耗散的结果。因此，摩擦系数可以用以下数学公式表示: 在哪里是由于污垢的附着，是由于磨损或耕作，和是由于弹性滞后过程造成的。

数字2表示随着接触压力的增加COF变化率增加。这背后的原因可以解释为，在特定的高接触压力值后，氧化层的形成率低于氧化层的破裂率。这导致了清洁金属的相互作用，从而增加了摩擦的附着力成分。

从表观察到4载荷系数(P= 72.77%)对摩擦系数影响较大。还应该注意到，摩擦系数的表方差分析误差约为3.71%，这是相当低的。摩擦系数的回归方程为:


资源	DF	的学生	的女士	f值	P值	% P

负载，F（N）	2	0.002608	0.001304	39.19	0.002	72.77
速度、v(米/秒)	2	0.000843	0.000421	12.66	0.019	23.52
错误	4	0.000133	0.000033			3.71
总	8	0.003584

3.2。磨损分析

3.2.1之上。Zircaloy-4

数字3.介绍3D轮廓仪拍摄的磨损疤痕图像。磨损量由疤痕测量确定。数字4给出了锆4的体积损失随接触压力和滑动速度的变化情况。随着接触压力的增大，压力呈下降趋势。

由于粘度低，水不能作为润滑剂;因此，在水介质中工作的元件，其材料性能起着重要的作用。脆性氧化物的形成和断裂是金属间相互作用的主要原因。产生的磨损颗粒可以进一步决定材料对的磨损性能。在目前的情况下，由于水的流动，氧化物颗粒可能被冲走了，因此从金属表面出来后不能进一步参与。一般情况下，附着力随接触压力的增加而增加;然而，磨损颗粒的性质也决定着性能。Zr-4体积损失的回归方程为: 从表观察到5速度因子(P= 64.71%)对体积损失影响较大。应该注意到，与表方差分析或体积损失相关的误差为0.2%。


资源	DF	的学生	的女士	f值	P值	% P

负载，F（N）	2	0.000018	0.000009	79.25	0.001	35.29
速度、v(米/秒)	2	0.000033	0.000016	144.83	0.001	64.71
错误	4	0.0000001	0.0000001			0.2
总	8	0.000051

3.2.2。AISI 304不锈钢

数字5呈现变化与接触压力的变化和滑动速度AISI 304 SS的体积损失。体积损失与滑动速度的增大而减小。考虑球 - 板接触几何（图6)，用下式计算赫兹接触压力或沿圆形接触面积中心线的最大接触压力: 其中，F是在N-施加载荷，一个是在毫米圆形接触区域的半径²E₁,γ₁和E₂,γ₂球和板材料的弹性模量和毒物比分别是多少₁和R₂为球和板的半径。计算了接触压力与屈服强度的比值，并在表中报告6。


应用负载,F （N）	接触压力 (MPa)
5	475	1.24	2.20
8	555	1.45	2.58
11	616	1.61	2.68

由于AISI 304 SS球材料的接触面积很低，氧化层一旦被移除，在一定的接触压力下会导致体积损失增加。磨损颗粒的性能对其影响不大。材料的屈服强度与接触压力的关系决定了磨损的严重程度。接触压力与屈服强度之比一般小于0.5时，发生轻度磨损;否则可能出现严重磨损[12]。考虑以上计算，可能会出现严重磨损;通过磨损表面分析来识别磨损机理。

从表观察到7载荷系数(P= 90.96%)对体积损失影响较大。应该注意到，与体积损失的表方差分析相关的误差为4.22%，即。,而低。AISI 304 SS体积损失的回归方程为: 方差分析(ANOVA)表7包括在F和p值。这些用于确定是否因素显著相关输出（响应）或没有。通常，在单因素方差分析，P值被用来确定一个因子是否显著或不通过与0.05的α值（在假设检验）比较。如果p值<0.05，则该因子是显著。在表7， P值为0.002，小于0.05;因此，这里输入因子负荷(F)比速度因子(v)更显著。此外，贡献的百分比(即,% P)is evaluated for both the input factors which showed 90.96 % of contribution for load (F), 4.82 % of contribution for speed (v), and 4.22 % of contribution for error (i.e., for interaction effects and other factors (may be environmental)).


资源	DF	的学生	的女士	f值	P值	% P

负载，F（N）	2	0.000151	0.000075	41.04	0.002	90.96
速度、v(米/秒)	2	0.000008	0.000004	2.16	0.231	4.82
错误	4	0.000007				4.22
总	8	0.000166

4.磨损表面分析

一般情况下，在水润滑的环境下滑动，会在高点造成胶粘剂磨损。在润滑没有失效的连接处，变形机制可能导致磨损。同样，基于材料接触类型的个别结条件可以确定氧化层是否为片状或是否在氧化层以下发生断裂。

磨损表面分析物在各个PV的条件下进行。数据7(一)- - - - - -7(我)给出了磨损表面的扫描电镜图像。由于重复循环和润滑膜缺失的共同作用，大多数磨损表面表明同时出现几种磨损机制。在大多数PV条件下观察到材料的变形、粘附和压实。除上述机制外，还观察到其他机制;一些机制在低PV和高PV条件下起主导作用。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(我)

在低PV条件下观察到微裂纹[图]7(一)]。在555 MPa和0.015 m/s的条件下，可以看到由于重复循环滑动和转移材料导致的棘轮机制[图]7 (b)]。随着接触压力的进一步增加(以相同的滑动速度)，观察到由于疲劳而产生的棘轮机制和条纹痕迹(图)7 (c)]。以0.02米/秒，观察到由于不存在润滑膜的微槽的形成和555兆帕/ 616兆帕接触压力[图7 (e)和7 (f)]。在0.02 m/s和616 MPa接触压力下，由于没有观察到的润滑膜/氧化层，材料被拉出[图]7 (f)]。在高PV条件下观察到棘轮机制和疲劳条纹标记[图7 (h)和7(我)]。

最后，可以这样说，由于高接触压力比屈服强度和存在无效的水润滑剂，变形，粘附和压实材料在所有PV条件下观察到。还可以补充的是，应力和机械性能是影响磨损机制的主要因素，两者都负责增加机制的严重程度。高于475 MPa的高接触压力表明棘轮机制和疲劳条纹的形成。由于塑性变形严重，由于重复循环疲劳而产生的裂纹不能观察到很多。

5.结论

对印度压水重水反应堆(PHWRs)的轴承垫(Zr-4)和弹匣转子管(AISI 304 SS)的配对材料的水下摩擦学特性进行了研究。滑动速度和接触压力范围的选择考虑了一些极端的操作条件。对摩擦系数、体积损失和磨损机理进行了评价。实验结果的处理是基于平均分析和方差分析(ANOVA)。所得结论如下:(我)ANOVA分析表明，负载因素对摩擦（〜72.77％）和AISI 304 SS（〜90.96％）的体积损失的系数有很大的影响。速度因子的Zr-4（〜64.71％）的高影响体积损失。(2)摩擦系数、AISI 304 SS的体积损失和Zr-4的体积损失的表方差分析的误差分别只有3.71%、4.22%和0.2%。(3)随着接触压力的增加，Zr-4的体积损失减小。解释了所产生的磨损颗粒可能在界面处从界面上被冲刷掉，从而减少了干净金属的体积损失。由于AISI 304不锈钢的接触压力与屈服强度之比较高，在任意PV值下，AISI 304不锈钢的体积损失均高于Zr-4。(iv)SEM检查在所有的PV条件表明变形，坚持和材料的压实。上述475兆帕高接触压力表明形成微槽，棘轮机构，及形成疲劳条痕。(v)综上所述，在水环境下，接触压力不应超过材料屈服强度的0.5倍，以使磨损保持在温和区。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

参考

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在摩擦学研究进展

摘要