Ti6Al4V合金扭動微動早期損傷行為研究.pdf

1、扭動微動是指在交變載荷下接觸副的接觸界面發(fā)生微幅扭動的相對運動。作為一種基本微動模式，扭動微動磨損大量存在于實際工況中，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。扭動微動接觸界面在試驗初期的損傷行為以及磨屑的演變過程至今尚不清楚，因此，本文針對Ti6A14V合金及其不同配副的扭動微動運行和損傷行為的研究具有重要的理論和實際意義。
　　 本研究在新型扭動摩擦磨損試驗機上，進行了Ti6

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

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對磨副的摩擦扭矩值在所有試驗中高于Ti6A14V/Ti6A14V對磨副。這是由于Ti6A14V/Ti6A14V對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，微動存在三個運行區(qū)域：當(dāng)θ=1°時，微動運行于部分滑移區(qū)；當(dāng)θ=2.5°和θ=5°時，微動運行于混合區(qū)；當(dāng)θ=15°時，微動進入滑移區(qū)。部

4、分滑移區(qū)和混合區(qū)的摩擦扭矩在試驗過程中持續(xù)上升，100次循環(huán)時未見穩(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)定四個階段。
　　 3.對于Ti6A14V/Ti6A14V對磨副，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)可見斜裂紋產(chǎn)生。在滑移區(qū)，可見嚴重損傷和顯著的塑性流動，磨損機制主要是剝層、氧化磨損和磨粒磨損。
　　 4.當(dāng)Ti6A14V合金與Si3N4對磨時，在部分滑移區(qū)，接觸區(qū)損傷輕微，僅見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、見傾斜裂紋。在滑移區(qū)，接觸區(qū)呈現(xiàn)明顯的塑性流動，大塊剝落的材料經(jīng)過反復(fù)的碾壓，形成第三體層參與了承載。
　　 5.研究發(fā)現(xiàn)，Ti6A14V/Ti6A14V對磨副的損傷較Ti6A14V/Si3N4對磨副更加嚴重。這是因為Ti6A14V/Si3N4對磨副的磨屑的形成過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，起到了固體潤滑的作用。另外，扭動微動磨損的機制并未隨對磨副的改變而有明顯變化。