表面改性镍钛合金的微动性能与纯铁纳米压痕尺寸效应研究

【摘要】：本文在水平液压伺服微动疲劳试验机上,采用球/平面接触模式,在不同循环次数和位移幅值条件下,对表面改性前后的NiTi形状记忆合金在模拟人体体液中进行了微动实验研究。利用原子吸收光谱仪(AAS)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪、原子力显微镜(AFM)与表面轮廓仪等设备对镍离子析出浓度及样品表面磨斑微观形貌进行了测试分析,详细地研究了不同的表面改性方法对镍离子析出的抑制程度以及对NiTi合金微动摩擦学性能的影响。同时,利用材料拉扭试验机(MTS)、纳米压痕仪和透射电子显微镜(TEM)等仪器,实验研究了拉伸预应变对纯铁的纳米压痕硬度尺寸效应的影响。本论文的主要结论如下: 1.表面改性可以有效地抑制NiTi合金中镍离子析出,减轻镍离子析出对人体产生的生理毒性,进而提高NiTi合金的生物相容性。另一方面,相对硬度而言,表面改性层与基体的结合强度对表面改性NiTi合金抗微动磨损性能起着更为重要的作用。 2.NiTi合金应力诱发的马氏体重取向可导致NiTi/1Cr13摩擦副的切向刚度在微动过程中发生改变。而表面改性层可以屏蔽NiTi合金的马氏体重取向,使得表面改性NiTi合金与1Cr13接触副的切向刚度在微动过程中基本不变。另外,表面改性层的这种屏蔽作用进一步减小了NiTi合金的弹性变形协调能力,扩展了NiTi/1Cr13摩擦副的微动滑移区,并将其微动混合区和部分滑移区调整到一个相对较小的位移幅值范围。 3.高温氧化改性(700℃/0.5h,650℃/1h)后的NiTi合金表面主要生成金红石晶型(Rutile)的TiO_2,尽管它有着比NiTi合金基体更高的硬度,但由于表面改性层与NiTi合金基体的结合强度比较弱,改性层的剥落使其抗微动磨损性能比NiTi合金基体更差。而低温氧化改性(400℃/50h)后的NiTi合金表面主要生成锐钛矿晶型(Anatase)的TiO_2,它与NiTi合金基体的结合强度较高,尽管降低了NiTi合金的弹性变形协调能力,但却能有效地提高NiTi合金的抗腐蚀和微动磨损性能。