微动是指两个接触表面发生极小振幅( 一般为微米级) 的相对运动， 常发生在近似紧密配合构件接触表面上。由于流致振动等的影响， 微动是核电站设备中不可避免的现象． 在几乎整个核电系统的各个部分， 例如压力容器、 燃料组件、 控制棒组件、堆内 构件、蒸汽发生器、 换热器、 主泵和管道部件都存在微动现象。传热管失效将导致传热效率下降， 严重的情况下会导致一回 路放射性污染和整个蒸汽发生器的报废． 微动损伤已成为 蒸汽发生器失效的主要原 因 之一。 目前，国 内 外衣 有关于Inconel 600 和 690等热交换管材料微动磨损行为的研究，但针对高温微动 损 伤和 机理的 研究相对较少。本研究主要针对 Inconel 600合金的高温微动特征和损伤机理， 为核反应堆关键部件抗高温微动损伤提供理论和实验依据。
实验材料上试样是直径为 10 mm 的 304 不锈钢球， 表面粗糙度 Ｒa≈0. 04 μm， 硬度 HV 700; 下试样是 Inconel 600合金板， 厚 度 为 2 mm， 其化学成分如 表 1 所示． 将Inconel 600薄板切割为 15 mm × 15 mm × 2 mm 块体， 试样表面经研磨抛光至 Ｒa≈0. 04 μm， 除油清洁后， 将食盐放入自制的夹具中．
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微动磨损实验微动磨损 实验仪器为 德国 Optimol 公司 生产的SＲV 摩擦磨损试验机， 微动磨损结构示意图见图 1． 微动磨损实验在高温无润滑条件下进行， 摩擦副接触方 式采用球/平面接触， 微动方式为切向微动． 微动机械条件为: 载 荷 100 N， 振 幅 90 μm， 频 率 20 Hz， 时 减30 min． 实验温度在核电站蒸汽发生器工作的温度范围为 280 ～ 340 ℃ ． 实验前将试样浸泡于乙醇中， 超声波清洗 20 min。
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磨痕形貌分析微动磨损实验结束后， 将试样浸泡于酒精中， 超声波清洗 20 min， 自然干燥 24 h， 用三维白光干涉表面形貌仪观察磨痕三维形貌并获取磨损体积; 用扫描电子显微镜观察磨损表面和截面的形貌; 用能谱仪获取磨痕表面的化学组成; 用 X 射线光电子能谱仪研究磨痕表面氧化层的成分和组成。
温度对摩擦系数和磨损体积的影响图 2(a) 为不同实验温度下摩擦系数(μ) 随着时间的变化曲线． 从图中可以看出， 摩擦系数随时间的变化可分为两个阶段: 第一阶段， 微动初始， 合金表面膜被迅速破坏和去除， 上下试样作用 增强， μ 处于上升期; 第二阶段， 磨屑的产生和排出基本达到动态平衡， μ进入相对稳定的阶段． 在稳定阶段， 随着温度增加， μ 逐渐降低． 图 2(b) 为不同温度下平均摩擦系数和磨损体积随温度的变化曲线． 从图中 可以看出， 平均摩擦系数和磨损体积随温度升高逐渐减小， 且二者的变化趋势相同． 这是由于温度升高， 摩擦氧化作用逐渐增强， 有利于磨屑层的形成， 其发挥承载和减摩的作用逐渐增强。
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图 3 为 Inconel600 合金在不同温度下三维白光干涉表面磨痕形貌图． 从图中能够看出: 所有温度下微动都处在典型的部分滑移区; 室温下磨痕表面凹凸起伏较大， 温度较高时磨痕表面变得较圆滑; 中心黏着区和环状滑动区的交界处形貌发生突变， 这里是微动裂纹的萌生高发区。
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损伤分析图 4 为不同温度下 Inconel600 合金的磨痕形貌图及其相应氧元素分布情况． 室温下中心黏着区划伤明显， 呈椭圆状(图 4(a) 所示) ， 高温下中心黏着区没有明显划痕， 呈较光滑的球面压坑( 图 4( b) ～ ( d) 所示) ; 所有温度条件下中心黏着区氧元素分布极少， 氧元素大量分布在环状滑动区， 说明高温和室温下环状滑动区被大面积氧化． 高温条件下滑动区的氧元素环边界较室温下更加清晰， 说明高温条件下氧含量更高．随着温度的升高， 环状滑动区的面积逐渐减小， 中心黏着区域的面积呈增大趋势． 这表明提高温度有利于黏着区的形成， 抑制微滑区的产生。
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选取280℃下磨痕表面进行中心黏着区和环状滑动区两个典型区域的X射线光电子能谱分析，研究磨痕表面氧化物的相组成， 结果如图5所示． 对比可知，中心黏着区和环状滑动区的表层相组成差别很大， 中心黏着区存在 Ni、Cr 和 Fe的单质，而环状滑动区只有基体 Ni 单质存在; 中心黏着区和环状滑动区存在氧化物的形式一样，为 NiO、Cr 2 O 3 和 Fe 3 O 4 。
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图 6 为不同温度下 Inconel600 合金的磨痕中心与边缘形貌图．室温下磨损较严重， 中心凹凸不同， 颗粒剥落， 形成剥层(图 6(a) 所示) ．高温区的磨损轻微，中心较平滑， 颗粒剥落不明显， 剥层较少(图 6(b) ～(d) 所示) ． 随着温度的升高，中心黏着区和环状滑动区沿微动方向的划痕和犁削逐渐减少，表面逐渐变平整。这是由于温度升高， 氧化速率加快，表面氧化层逐步变厚并牢固的附在基体上， 有好的耐磨性。随温度的升高，环状滑动区的宽度逐渐减少( 图 6( e) ～(h) 所示) 。不论室温还是高温条件下， 在中心黏着区和环状滑动区的交界处都发现了裂纹。
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图7为不同温度微动磨损所得磨痕的横截面形貌图， 图 8 为图 7 中 A、 B 两处的局部放大形貌图． 从图中可以看出，30、310 和 340 ℃ 在磨痕表面中心黏着区和环状滑动区的交界处的下方都产生了裂纹， 且裂纹发展方向大致相同; 但310℃ 和 340℃ 下裂纹萌生数量更少， 发展的长度更小， 这可能是由于温度升高， 磨屑在接触表面上逐渐堆积， 使得应力分布均匀， 应力集中有所减弱， 从而阻止裂纹的萌生和扩展。
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图9为磨痕截面特征区域(1# 、2 # 和 3 # 分别为图 7中 340 ℃ 条件下中心位置、环状滑动区位置和垂直于裂纹扩展方向位置) 的能谱结果． 由图分析可知， 黏着区表面没有较厚的氧化层形成， 环状滑动区表面存在约 2 μm 厚的氧化层， 裂纹两侧氧含量很低。
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结论
(1) 温度升高有利于黏着区的形成， 抑制滑动磨损的发生， 促使摩擦系数和磨损量逐渐减小。
(2) 摩擦氧化主要发生在磨痕的微化区， 中心黏着的人相对很少; 高温条件下氧元素分布较室温下更加聚集。
(3) 中心黏着区表面氧含量较低， 表层存在大量Ni、Cr 和 Fe 的单质; 磨痕表面氧化物由 NiO、 Cr 2 O 3 和Fe 3 O 4 组成。
(4) 室温和高温下磨痕表面黏着区和微滑区交界处都产生了微裂纹， 高温下裂纹萌生在危化区， 与室温下相比， 高温下萌生裂纹的数量更少， 长度更小。
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