冲滑复合磨损是一种典型的复合磨损形式,广泛存在于机械制造、轨道交通、汽车、隧道掘进等众多领域。冲滑磨损容易引起材料剪切变形、剥落甚至开裂,是许多工况中零部件快速失效的直接原因,严重影响设备的运行安全和服役寿命。然而,由于冲击和滑动两种运动的耦合作用,冲滑磨损的运动形式复杂、试验参数控制困难。目前,国内外针对冲滑复合运动导致磨损的研究相对较少,尚未对材料冲滑磨损机理形成统一认识,尤其缺乏对不同材料表面特性配副的冲滑磨损机理研究。因此,开展不同表面特性材料的冲滑磨损行为和机理研究,不仅具有重要的科学意义,在工程上也有较大的应用价值和指导意义。本文对高速铁路接触网钩环零部件的冲滑磨损进行了细致的失效分析;基于自主研制的新型冲滑复合磨损试验装置,对几种不同材料表面特性配副进行了系统的冲滑磨损试验研究;揭示了铝合金/铝合金、铝合金/LSP铝合金、陶瓷/硬质合金、陶瓷/PVD涂层硬质合金等配副的冲滑磨损损伤行为和机理;在不同材料配副冲滑磨损机理研究的基础上,提出冲滑损伤防护准则。研究的主要工作和获得的主要结论如下:1.高速铁路接触网钩环零部件的失效分析(1)钩环结构在连接处存在严重的应力集中,导致连接处材料快速形成剥落,并使连接处磨损形式为恶劣的冲滑复合磨损。(2)限位定位装置使用的钩环结构是连接处磨损过早失效的根本原因,建议优化定位器与定位支座的连接结构形式(如销轴连接),改善连接处的应力集中和磨损形式。(3)定位钩和定位支座冲滑磨损的主要损伤形式为剥层和犁削,磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。2.研制可控制摩擦系统结构刚度的新型冲滑复合摩擦磨损试验机基于工程案例失效形式,成功研制了一台可控制摩擦系统结构刚度的新型冲滑复合摩擦磨损试验装置,可实现对材料冲滑复合摩擦磨损过程的试验模拟,其重复性和有效性获得了验证。3.几种不同表面特性材料配副的冲滑磨损机理研究(1)较低硬度的铝合金材料在冲滑磨损条件下损伤严重,其磨痕形成过程中不同阶段对应不同位置的主要损伤形式表现出明显差异性;磨痕的冲击区主要承受冲击载荷,在材料次表面的循环拉压应力作用下,该区域损伤机制主要为严重疲劳磨损的剥层机制;而磨痕的滑动区为变载荷下的切向滑动,材料次表面的剪切应力向接触表面逐步靠近,该区域的主要损伤机制为磨粒磨损的犁削机制。(2)激光冲击强化(LSP)铝合金的冲滑损伤得到明显改善,尤其是磨痕冲击区的损伤明显减轻;LSP铝合金冲滑磨损机制仍表现剥层和犁削为主,但LSP铝合金对剥层损伤的抵抗能力大大增加,这主要是由于LSP后铝合金材料表层晶粒得到明显细化、形成残余压应力以及表层硬度的提高。(3)高硬度的硬质合金材料比铝合金材料的冲滑损伤明显更低;硬质合金材料冲滑磨损的主要损伤集中在冲击区,该区域内观察到片状剥落损伤和黑色的氧化磨屑;磨痕滑动区的损伤十分轻微,该区域呈“抛光效应”;硬质合金材料的冲滑磨损主要损伤机制为疲劳磨损的剥层和一定程度的氧化磨损。(4)PVD硬质涂层的冲滑磨损损伤特征和机理与硬质合金材料相一致,即在磨痕冲击区观察到剥层损伤,而在滑动区表现为“抛光效应”,且损伤轻微;PVD硬质涂层的冲滑损伤与硬质合金材料接近,在冲击区也出现了剥层损伤,PVD硬质涂层处理相对于硬质合金并没有明显改善材料的冲滑磨损性能。WC/C润滑涂层的冲滑损伤比硬质合金以及硬质涂层都要轻得多,润滑涂层显著改善了材料的冲滑磨损性能;润滑涂层对冲滑磨损中冲击和滑动两个阶段的损伤都起到良好的减缓作用,整个磨痕内仅观察到非常轻微的磨损痕迹,损伤机制为磨粒磨损。4.表面特性对材料冲滑性能影响(1)增加材料硬度可减缓冲滑磨损中滑动载荷引起的剪切损伤,有利于改善材料的冲滑磨损性能,但当材料已具有高硬度时,进一步增加材料表面硬度的高硬度涂层不能继续有效的增强材料冲滑磨损耐磨性。(2)材料表层晶粒细化和残余压应力对抵抗冲滑磨损有较好的效果,表面强化技术处理对材料的冲滑磨损性能得到明显改善。(3)润滑涂层能显著改善材料的冲滑磨损性能,对冲滑磨损中的剥层和犁削损伤都有显著的减缓作用,强度和韧性好的润滑材料是良好的耐冲滑磨损材料。(4)要改善材料的冲滑磨损性能,在增加材料硬度的同时,需要通过细化晶粒、增加残余压应力和润滑等方式来改善冲滑磨损引起的剥层损伤。