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Ti6A14V合金扭动微动早期损伤行为研究

张强  
【摘要】: 扭动微动是指在交变载荷下接触副的接触界面发生微幅扭动的相对运动。作为一种基本微动模式,扭动微动磨损大量存在于实际工况中,从常用的球阀、到人工植入的杵臼关节,以及球窝配合件及旋转紧固件,是一种不容忽视的失效行为。扭动微动接触界面在试验初期的损伤行为以及磨屑的演变过程至今尚不清楚,因此,本文针对Ti6Al4V合金及其不同配副的扭动微动运行和损伤行为的研究具有重要的理论和实际意义。 本研究在新型扭动摩擦磨损试验机上,进行了Ti6Al4V合金分别与Si3N4陶瓷球、Ti6Al4V合金球配副的扭动微动摩擦试验。角位移幅值(θ)1°-15°,法向载荷(Fn)50N,试验次数1-500次。在研究摩擦动力学行为的基础上,使用台阶仪、扫描电镜、三维形貌仪分析了微动磨斑。得到以下主要结论: 1.Ti6Al4V合金的扭动微动运行特性可以用摩擦扭矩-扭动角位移幅值(T-θ)曲线描述。两种对磨副的T-θ曲线在试验过程中只表现出两种形状,即椭圆状(接触界面的相对运动主要由弹塑性变形协调)和平行四边形状(接触界面处于完全滑移状态)。材料性质的差异造成Ti6Al4V/Si3N4对磨副的摩擦扭矩值在所有试验中高于Ti6Al4V/Ti6Al4V对磨副。这是由于Ti6Al4V/Ti6Al4V对磨副的接触刚度较小,使得接触面积增大,接触应力减小。 2.结果表明,微动存在三个运行区域:当θ=1°时,微动运行于部分滑移区;当θ=2.5°和θ=5°时,微动运行于混合区;当θ=15°时,微动进入滑移区。部分滑移区和混合区的摩擦扭矩在试验过程中持续上升,100次循环时未见稳定;滑移区的摩擦扭矩曲线则表现出上升、峰值、下降和稳定四个阶段。 3.对于Ti6Al4V/Ti6Al4V对磨副,在部分滑移区,接触区有少量的剥落和轻微的塑性变形。在混合区,接触区发生显著塑性变形和颗粒剥落。随着角位移幅值的增加,疲劳磨损加剧,剥落的磨屑颗粒尺寸明显增大,接触区外发现有磨屑的溢出。磨痕的剖面分析发现,白层在颗粒剥落过程中扮演了重要角色,是导致材料大块剥落的主要原因,在混合区可见斜裂纹产生。在滑移区,可见严重损伤和显著的塑性流动,磨损机制主要是剥层、氧化磨损和磨粒磨损。 4.当Ti6Al4V合金与Si3N4对磨时,在部分滑移区,接触区损伤轻微,仅见面积较小的剥落坑零散分布。在混合区,磨痕中心位置附近出现环状分布的剥落坑;随着角位移幅值的增大,接触区塑性变形加剧,且材料剥落的颗粒尺寸增大。磨痕的剖面发现,在塑性变形层与白层的界面易形成平行于接触表面的横向裂纹,但未见倾斜裂纹。在滑移区,接触区呈现明显的塑性流动,大块剥落的材料经过反复的碾压,形成第三体层参与了承载。 5.研究发现,Ti6Al4V/Ti6Al4V对磨副的损伤较Ti6Al4V/Si3N4对磨副更加严重。这是因为Ti6Al4V/Si3N4对磨副的磨屑的形成过程中伴随有水化反应,使形成的磨屑黏附性增加,形成磨屑层(三体层),磨屑层参与承载,起到了固体润滑的作用。另外,扭动微动磨损的机制并未随对磨副的改变而有明显变化。


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