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形状记忆合金的机敏摩擦学特性研究

王立民  
【摘要】:形状记忆合金(SMA)不仅具有形状记忆效应,而且在一定条件下还具有良 好的耐磨性,但由于其硬度较低,用传统的磨损机理无法解释这种现象。SMA在 感知外界应力的前提下,能够改变自身的伪弹性模量和伪弹性应变,从而在摩擦 接触过程中改善微凸体与材料表面的接触状态,表现出机敏摩擦学特性。本文立 足于接触问题,采用弹塑性有限元和实验相结合的方法,对SMA的机敏摩擦学 特性及磨损机理进行研究的同时,提出了SMA机敏摩擦学材料设计准则。 在有限元分析中采用等向强化力学模型,对TiNi合金受单微凸体法向载荷、 滑动载荷以及多微凸体接触模型加载阶段进行了分析;在实验部分当中,用纳米 力学探针及Vickers压头与原子力显微镜相结合的方法对超弹TiNi合金的接触行 为进行了研究,并在干滑动摩擦磨损条件下,把TiNi合金同奥氏体不锈钢的耐磨 性进行了比较。总结全文,得到以下一些结果及主要结论: 1.SMA在摩擦接触过程中所体现出的机敏摩擦学特性主要表现有: (1)提高材料塑性变形临界载荷的同时,也使材料塑性变形区域的面积减 小,而且增加了合金的最大弹性应变,减少了塑性接触的微凸体数目。 (2)伪弹性模量的降低减小了最大von Mises应力、接触应力以及接触界 面间的摩擦应力,并使von Mises应力和接触应力其随载荷增加而增加的 速度变缓,这种趋势在高载荷下更加明显。 (3)SMA在磨粒或微凸体接触压入过程中产生较大的弹性恢复,残留的 塑性变形较小,在载荷为2000μN时,伪弹性应变为0.055的TiNi合金的 弹性恢复量是45#钢的1.8倍,而其塑性变形只有45#钢的60%,在载荷为 0.49N和0.98N时,其弹性恢复量分别是不锈钢的1.40倍和1.31倍。 2.SMA的磨损机理为:SMA塑性变形临界载荷的提高、塑性区域面积的减 小以及弹性变形能力的增强可以减小磨粒的塑性嵌入,降低材料的破坏范围,形 成的犁沟浅而窄,因而具有较好的耐磨粒磨损特性;接触表面应力的降低及塑性 变形区域向材料表面的推迟,减小了裂纹在表面的发生,塑性变形临界载荷的提 高和塑性变形区域的减小延缓裂纹在材料内部的形成,并限制了裂纹形成的范围, 因而表现出耐疲劳磨损特性。总的说来,由于SMA在摩擦接触过程中表现出机 敏摩擦学特性,因而具有较好的耐磨粒磨损和耐疲劳磨损性能。


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