Ti6Al4V合金扭動(dòng)微動(dòng)早期損傷行為研究.pdf

1、扭動(dòng)微動(dòng)是指在交變載荷下接觸副的接觸界面發(fā)生微幅扭動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。作為一種基本微動(dòng)模式，扭動(dòng)微動(dòng)磨損大量存在于實(shí)際工況中，從常用的球閥、到人工植入的杵臼關(guān)節(jié)，以及球窩配合件及旋轉(zhuǎn)緊固件，是一種不容忽視的失效行為。扭動(dòng)微動(dòng)接觸界面在試驗(yàn)初期的損傷行為以及磨屑的演變過(guò)程至今尚不清楚，因此，本文針對(duì)Ti6A14V合金及其不同配副的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行和損傷行為的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　 本研究在新型扭動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行了Ti6

2、A14V合金分別與Si3N4陶瓷球、Ti6A14V合金球配副的扭動(dòng)微動(dòng)摩擦試驗(yàn)。角位移幅值(θ)1°-15°，法向載荷(Fn)50N，試驗(yàn)次數(shù)1-500次。在研究摩擦動(dòng)力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，使用臺(tái)階儀、掃描電鏡、三維形貌儀分析了微動(dòng)磨斑。得到以下主要結(jié)論：
　　 1.Ti6A14V合金的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行特性可以用摩擦扭矩-扭動(dòng)角位移幅值(T-θ)曲線描述。兩種對(duì)磨副的T-θ曲線在試驗(yàn)過(guò)程中只表現(xiàn)出兩種形狀，即橢圓狀(接觸界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主

3、要由彈塑性變形協(xié)調(diào))和平行四邊形狀(接觸界面處于完全滑移狀態(tài))。材料性質(zhì)的差異造成Ti6A14V/Si3N4對(duì)磨副的摩擦扭矩值在所有試驗(yàn)中高于Ti6A14V/Ti6A14V對(duì)磨副。這是由于Ti6A14V/Ti6A14V對(duì)磨副的接觸剛度較小，使得接觸面積增大，接觸應(yīng)力減小。
　　 2.結(jié)果表明，微動(dòng)存在三個(gè)運(yùn)行區(qū)域：當(dāng)θ=1°時(shí)，微動(dòng)運(yùn)行于部分滑移區(qū)；當(dāng)θ=2.5°和θ=5°時(shí)，微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)；當(dāng)θ=15°時(shí)，微動(dòng)進(jìn)入滑移區(qū)。部

4、分滑移區(qū)和混合區(qū)的摩擦扭矩在試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)上升，100次循環(huán)時(shí)未見(jiàn)穩(wěn)定；滑移區(qū)的摩擦扭矩曲線則表現(xiàn)出上升、峰值、下降和穩(wěn)定四個(gè)階段。
　　 3.對(duì)于Ti6A14V/Ti6A14V對(duì)磨副，在部分滑移區(qū)，接觸區(qū)有少量的剝落和輕微的塑性變形。在混合區(qū)，接觸區(qū)發(fā)生顯著塑性變形和顆粒剝落。隨著角位移幅值的增加，疲勞磨損加劇，剝落的磨屑顆粒尺寸明顯增大，接觸區(qū)外發(fā)現(xiàn)有磨屑的溢出。磨痕的剖面分析發(fā)現(xiàn)，白層在顆粒剝落過(guò)程中扮演了重要角色，是導(dǎo)致

5、材料大塊剝落的主要原因，在混合區(qū)可見(jiàn)斜裂紋產(chǎn)生。在滑移區(qū)，可見(jiàn)嚴(yán)重?fù)p傷和顯著的塑性流動(dòng)，磨損機(jī)制主要是剝層、氧化磨損和磨粒磨損。
　　 4.當(dāng)Ti6A14V合金與Si3N4對(duì)磨時(shí)，在部分滑移區(qū)，接觸區(qū)損傷輕微，僅見(jiàn)面積較小的剝落坑零散分布。在混合區(qū)，磨痕中心位置附近出現(xiàn)環(huán)狀分布的剝落坑；隨著角位移幅值的增大，接觸區(qū)塑性變形加劇，且材料剝落的顆粒尺寸增大。磨痕的剖面發(fā)現(xiàn)，在塑性變形層與白層的界面易形成平行于接觸表面的橫向裂紋，但未

6、見(jiàn)傾斜裂紋。在滑移區(qū)，接觸區(qū)呈現(xiàn)明顯的塑性流動(dòng)，大塊剝落的材料經(jīng)過(guò)反復(fù)的碾壓，形成第三體層參與了承載。
　　 5.研究發(fā)現(xiàn)，Ti6A14V/Ti6A14V對(duì)磨副的損傷較Ti6A14V/Si3N4對(duì)磨副更加嚴(yán)重。這是因?yàn)門(mén)i6A14V/Si3N4對(duì)磨副的磨屑的形成過(guò)程中伴隨有水化反應(yīng)，使形成的磨屑黏附性增加，形成磨屑層(三體層)，磨屑層參與承載，起到了固體潤(rùn)滑的作用。另外，扭動(dòng)微動(dòng)磨損的機(jī)制并未隨對(duì)磨副的改變而有明顯變化。