鈦及其合金的扭動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損特性

何莉萍，林修洲，蔡振兵，張 強(qiáng)，朱旻昊

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

鈦及其合金的扭動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損特性

何莉萍，林修洲，蔡振兵，張 強(qiáng)，朱旻昊

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

采用新型扭動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)在法向載荷為50、80和110 N及角位移幅值為0.3°~10°的條件下進(jìn)行TA2和TC4合金與 ZrO2對(duì)磨球的扭動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)。在摩擦動(dòng)力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合磨痕形貌微觀分析，考察TA2和TC4合金的扭動(dòng)微動(dòng)磨損特性。結(jié)果表明：可用摩擦扭矩—角位移曲線和摩擦扭矩時(shí)變曲線表征合金的扭動(dòng)微動(dòng)行為，獲得了TA2和 TC4合金的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行工況微動(dòng)圖，TA2合金的混合區(qū)較TC4合金的寬。摩擦扭矩隨法向載荷和角位移幅值的增加而增加，在相同試驗(yàn)條件下，TA2合金的摩擦扭矩始終大于TC4合金的。在部分滑移區(qū)，損傷輕微；在混合區(qū)和滑移區(qū)，損傷加劇，扭動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝落。

鈦；鈦合金；摩擦磨損；微動(dòng)磨損；扭動(dòng)微動(dòng)；磨損機(jī)制

扭動(dòng)微動(dòng)是指在交變載荷下接觸副界面間發(fā)生微幅扭動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1]。作為 4種基本微動(dòng)模式之一，扭動(dòng)微動(dòng)磨損大量存在于工業(yè)實(shí)際中，如人工關(guān)節(jié)、機(jī)械和工具等領(lǐng)域，盡管扭動(dòng)接觸的理論研究和力學(xué)分析已經(jīng)開展了很多年，但是對(duì)于扭動(dòng)的試驗(yàn)研究還較少，目前，國(guó)外僅BRISCOE等[2-5]對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了PMMA盤與鋼球在純滾動(dòng)、純扭轉(zhuǎn)以及不同接觸動(dòng)力學(xué)條件下的微動(dòng)磨損行為，但扭動(dòng)微動(dòng)磨損接觸界面初期的損傷行為以及磨屑的演變過程至今未見報(bào)道。國(guó)內(nèi)主要是西南交通大學(xué)朱旻昊教授課題組對(duì)多種材料的扭動(dòng)微動(dòng)磨損特性進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，取得的主要進(jìn)展如下[6-8]：研制了新型扭動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)裝置[9]，實(shí)現(xiàn)了球/平面接觸條件下的扭動(dòng)微動(dòng)磨損；系統(tǒng)開展了Fe-C合金(工業(yè)純鐵、LZ50鋼、20#鋼)、7075鋁合金、PMMA、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以及天然牛髖關(guān)節(jié)軟骨等材料的扭動(dòng)微動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究以及鈦合金扭動(dòng)微動(dòng)腐蝕行為研究。

鈦及其合金由于具有比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、生物相容性好、無磁性、接近人骨的彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、艦船制造、化學(xué)工業(yè)、交通車輛、建筑裝飾、海洋建筑、體育用品、生活用品、人體植入件等方面得到了廣泛的應(yīng)用，被稱為“太空金屬”、“海洋金屬”、“智能金屬”等。而微動(dòng)磨損是鈦材料失效的主要原因之一，探討鈦合金的微動(dòng)疲勞行為以提高其抗 力，是目前微動(dòng)損傷學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一[10]，深入研究其在扭動(dòng)微動(dòng)條件下的運(yùn)行和損傷機(jī)理，不僅有助于深入揭示扭動(dòng)微動(dòng)損傷規(guī)律，而且具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值[11]。

1 實(shí)驗(yàn)

采用材料TC4鈦合金棒和TA2純鈦棒，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。將其加工成尺寸為20 mm×5 mm×2 mm的塊試樣，待測(cè)試表面研磨拋光至粗糙度Ra=0.05 μm；對(duì)偶件為ZrO2陶瓷球(d 28.575 mm)，其成分和力學(xué)性能見表 2。在新型扭動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行扭動(dòng)微動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：角位移幅值θ分別取 0.3°、0.5°、1°、3°、5°、10°；法向載荷 Fn分別為50、80、110 N；循環(huán)次數(shù)N從1到5 000，頻率f=0.5 Hz。采用高精度六維傳感器對(duì)力和扭矩的 6個(gè)分量(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz)隨循環(huán)次數(shù)變化的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。試驗(yàn)環(huán)境為干態(tài)、大氣，室溫((20±3) ℃)。試驗(yàn)后用光學(xué)顯微鏡(OM, Carl Zeiss Axioplan)及掃描電鏡(SEM, Quanta 2000)觀察磨痕表面形貌，用EDX(EDAX-7760/68 ME)進(jìn)行表面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微動(dòng)運(yùn)行行為

2.1.1 T—θ曲線

圖1所示為TC4和TA2合金在法向載荷為110 N、循環(huán)次數(shù)為1、1 000和5 000次的摩擦扭矩—角位移(T—θ)曲線。當(dāng)角位移幅值 θ=0.3°時(shí)，從第 1次循環(huán)到第5 000次循環(huán)，TC4合金的T—θ曲線形狀始終為近似直線(見圖 1(a))，表明接觸界面發(fā)生的是彈性變形；而TA2合金的T—θ曲線形狀表現(xiàn)為橢圓形(見圖1(b))，說明此時(shí)TC4和TA2合金均始終處于部分滑移狀態(tài)，隨著循環(huán)周次的增加，曲線內(nèi)封閉的面積(摩擦耗散能)減小，這是因?yàn)榻佑|區(qū)不斷加工硬化的結(jié)果；如圖1(c)和(d)所示，當(dāng)θ=1°時(shí)，從第1次循環(huán)到第5 000次循環(huán)，TC4和TA2合金的T—θ曲線形狀表現(xiàn)為橢圓形，說明此時(shí)TC4和TA2合金仍處于部分滑移狀態(tài)，但是耗散能呈增大趨勢(shì)，可能是相對(duì)位移增加，表面的切向力增大，使塑性變形得以不斷發(fā)生；如圖 1(e)和(f)所示，當(dāng) θ=5°時(shí)，TC4 和 TA2合金的T—θ曲線從第1次循環(huán)到第5 000次循環(huán)均表現(xiàn)為平行四邊形，可以判斷兩材料均已處于完全滑移狀態(tài)。這表明隨著角位移的增加，TC4和TA2合金的T—θ曲線由直線形向橢圓形和平行四邊形轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)則由彈塑性協(xié)調(diào)的部分滑移向完全滑移轉(zhuǎn)變。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，TC4和TA2合金的摩擦扭矩逐漸增大。

表1 TC4及TA2合金的成分和力學(xué)性能Table1 Composition and mechanical properties of alloys TC4 and TA2

表2 ZrO2的成分和力學(xué)性能Table2 Composition and mechanical properties of ZrO2

圖1 向法向載荷Fn為110 N、不同循環(huán)次數(shù)下TC4和TA2合金的T—θ曲線Fig.1 T—θ curves of alloys TC4 and TA2 at Fn=110 N and different cycles: (a) θ=0.3°, TC4; (b) θ=0.3°, TA2; (c) θ=1°, TC4;(d) θ=1°, TA2; (e) θ=5°, TC4; (f) θ=5°, TA2

2.1.2 扭動(dòng)微動(dòng)區(qū)域特性

圖 2所示分別為 Fn=110 N、循環(huán)次數(shù) N=100、1 000、5 000和θ=5°時(shí)TC4和TA2合金的磨痕形貌。由圖1可見，TC4和TA2合金的T—θ曲線一直表現(xiàn)為平行四邊形(見圖1(e)和(f))，說明它們的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)動(dòng)處于完全滑移狀態(tài)，但是扭動(dòng)微動(dòng)混合區(qū)的判定不同于切向微動(dòng)，僅根據(jù) T—θ曲線形狀的變化來判斷微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大誤差，必須結(jié)合磨痕形貌的演變過程來判斷[5]。因此，結(jié)合微觀形貌(見圖2)可認(rèn)為此時(shí)TC4合金運(yùn)行于微動(dòng)的滑移區(qū)，而TA2合金接觸中心在試驗(yàn)初期時(shí)出現(xiàn)粘著區(qū)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，粘著區(qū)逐漸消失，根據(jù)前期研究[5]結(jié)果可知TA2合金處于微動(dòng)的混合區(qū)。兩種合金隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨損面積增大，說明磨損加劇。另外，由于TA2合金的硬度比TC4合金的低，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，其磨痕尺寸大于TC4合金的，損傷也更嚴(yán)重。

圖2 Fn=110 N和θ=5°時(shí)TC4和TA2合金在不同循環(huán)次數(shù)下的磨痕形貌Fig.2 Morphologies of wear scar of alloys TC4 and TA2 at Fn=110 N, θ=5° and different cycles: (a) N=100, TC4; (b) N=1 000,TC4; (c) N=5 000, TC4; (d) N=100, TA2; (e) N=1 000, TA2; (f) N=5 000, TA2

經(jīng)過大量試驗(yàn)，通過 T—θ曲線分析和磨痕形貌觀察，可判斷扭動(dòng)微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域特性，并建立扭動(dòng)微動(dòng)磨損運(yùn)行工況微動(dòng)圖[5]。圖3所示為TC4和TA2合金的扭動(dòng)微動(dòng)磨損運(yùn)行工況微動(dòng)圖?？梢?，隨著角位移的增大，TC4和TA2合金的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域都從部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)轉(zhuǎn)變，表明增大角位移，接觸界面越容易發(fā)生相對(duì)滑移；而增大法向載荷，部分滑移區(qū)的寬度增加，混合區(qū)和滑移區(qū)出現(xiàn)的角位移明顯增大，說明載荷越大，接觸界面發(fā)生相對(duì)滑移的難度增加；同樣的工況下，TC4和TA2合金處于不同的微動(dòng)區(qū)域，說明材料力學(xué)性能的差異導(dǎo)致扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域的變化，增大塑性或降低硬度，微動(dòng)區(qū)域有從部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)方向移動(dòng)的趨勢(shì)。

2.1.3 摩擦扭矩曲線

圖4所示為Fn=110 N和θ=0.3°時(shí)TA2和TC4合金在部分滑移區(qū)的摩擦扭矩曲線。由圖4可知，在部分滑移區(qū)，當(dāng)θ＝0.3°時(shí)，TC4和TA2合金摩擦扭矩都較小，100次循環(huán)后緩慢增加，1 000次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定。在部分滑移區(qū)，TC4和TA2合金的摩擦扭矩曲線都經(jīng)歷了3個(gè)階段：跑合、上升和穩(wěn)定階段。

圖3 TC4和TA2合金的扭動(dòng)微動(dòng)磨損運(yùn)行工況微動(dòng)圖Fig.3 Running condition fretting maps of torsional fretting wear of alloys TC4 and TA2 (P—Partial slip regime; M—Mixed fretting regime; S—Slip regime): (a) TC4; (b) TA2

圖4 Fn=110 N和θ=0.3°時(shí)TA2和TC4合金在部分滑移區(qū)的摩擦扭矩曲線Fig.4 Curves of friction torque of alloys TC4 and TA2 in partial slip regime at Fn=110 N and θ=0.3°

圖5 所示為Fn=110 N和不同角位移時(shí)TA2和TC4合金在混合區(qū)的摩擦扭矩曲線。由圖 5可知，在混合區(qū)，當(dāng)θ＝1°時(shí)(見圖5(a))，TC4和TA2合金均在10次后扭矩迅速增加，最后均在2 000次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定，不同的是TA2合金上升速度更快，這可能與TA2合金塑性大有關(guān)；當(dāng)θ＝3°時(shí)(見圖5(b))，TC4和TA2合金從第1次循環(huán)開始扭矩就迅速增加，100次循環(huán)后TC4合金的扭矩增加速度放 慢，而TA2相反此時(shí)卻呈下降趨勢(shì)，200次循環(huán)后又增加，TC4和TA2合金在5 000次循環(huán)時(shí)也未達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 Fn=110 N時(shí)TA2和TC4合金在混合區(qū)的摩擦扭矩曲線Fig. 5 Curves of friction torque of alloys TC4 and TA2 in mixed fretting regime at Fn=110 N: (a) θ=1°; (b) θ=3°

圖6 所示為Fn=110 N和θ=10°時(shí)TA2和TC4合金在滑移區(qū)的摩擦扭矩曲線。由圖6可知，在滑移區(qū)，當(dāng)θ＝10°時(shí)，TC4和TA2合金的摩擦扭矩均出現(xiàn)先增加后下降的情況，并分別在2 000和100次循環(huán)后急速增加，第5 000次循環(huán)時(shí)未達(dá)穩(wěn)定。

圖6 Fn=110 N和θ=10°時(shí)TA2和TC4合金在滑移區(qū)的摩擦扭矩曲線Fig. 6 Curves of friction torque of alloys TC4 and TA2 in slip regime at Fn=110 N and θ=10°

可見，TC4和TA2合金隨著角位移的增加，摩擦扭矩逐漸增大，同時(shí)摩擦扭矩穩(wěn)態(tài)值所需要的循環(huán)次數(shù)也增加。在部分滑移區(qū)，TC4和TA2合金的摩擦扭矩隨循環(huán)次數(shù)有相似的規(guī)律，摩擦扭矩曲線分為跑合、上升和穩(wěn)定階段，在混合區(qū)和滑移區(qū)，在較大角位移和較大載荷條件下，接觸界面發(fā)生了較強(qiáng)的塑性變形，摩擦扭矩在5 000次循環(huán)時(shí)沒有達(dá)到穩(wěn)定階段；不同的是TA2合金的摩擦扭矩均大于TC4合金的，且在較大位移時(shí)，TA2合金從第1次循環(huán)開始摩擦扭矩就較大，這與TA2合金的硬度低、塑性大、接觸表面發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形有關(guān)。

2.2 磨損機(jī)制分析

在部分滑移區(qū)，磨斑中心粘著，僅在磨痕外側(cè)有輕微損傷。在混合區(qū)和滑移區(qū)，由于磨粒參與作用，出現(xiàn)了環(huán)狀犁溝和呈褶皺狀(與塑性流動(dòng)相關(guān))的剝落層(見圖7(a)和(c)，這里只列出了Fn=110 N和θ=5°時(shí)TC4合金在混合區(qū)、TA2合金在滑移區(qū)磨痕的SEM形貌及EDX分析)，這是由于隨著角位移的增大，表面交變應(yīng)力的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)p傷加劇，以至接觸界面發(fā)生明顯的塑性變形和疲勞磨損(即剝層)。從TC4和TA2合金的磨痕邊緣的 EDX能譜可見，磨損區(qū)發(fā)生了明顯的氧化(見圖7(b)和(d))，并有大量的Zr元素從ZrO2對(duì)磨球轉(zhuǎn)移過來。因此，TC4和TA2合金在扭動(dòng)微動(dòng)磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

圖7 Fn=110 N和θ=5°時(shí)TC4和TA2合金磨痕的SEM像及EDX譜Fig. 7 SEM images and EDX spectra of wear scars of alloys TC4 and TA2 at Fn=110 N and θ=5°: (a) SEM, TC4; (b) EDX spectra,TC4; (c) SEM, TA2; (d) EDX spectra, TA2

3 結(jié)論

1) 隨著角位移的增加，TC4和TA2合金的T—θ曲線由直線形向橢圓形和平行四邊形轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)則由彈塑性協(xié)調(diào)的部分滑移向完全滑移轉(zhuǎn)變。

2) 建立了TA2合金的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行工況微動(dòng)圖。在同樣的工況下，TC4和TA2合金處于不同的微動(dòng)區(qū)域，說明材料力學(xué)性能的差異導(dǎo)致扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域的變化，增大塑性或降低硬度，微動(dòng)區(qū)域有從部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)方向移動(dòng)的趨勢(shì)。

3) 摩擦扭矩隨法向載荷和角位移的增加而增大，在相同條件下，TA2合金的摩擦扭矩大于TC4合金的，與TA2合金發(fā)生更多的塑性變形有關(guān)。

4) 在部分滑移區(qū)，TA2和 TC4合金的損傷都很輕微；在混合區(qū)和滑移區(qū)，損傷加劇，扭動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

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Torsional fretting friction and wear behaviors of titanium and its alloy

HE Li-ping, LIN Xiu-zhou, CAI Zhen-bing, ZHANG Qiang, ZHU Min-hao
(Tribology Research Institute, Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China)

The torsional fretting tests of alloys TA2 and TC4 flats against ZrO2ceramic balls were carried out on a new torsional fretting tester under various angular displacement amplitudes ranging from 0.3° to 10° and imposed normal loads of 50, 80 and 110 N. Based on the analysis of the frictional kinetics of the torsional fretting wear and combined with the micro-examinations, the damage characteristics of alloys TC4 and TA2 were also discussed. The results indicate that the behaviors of torsional fretting can be characterized by the curves of friction torque—angular displacement (T—θ)and friction torque curves. Running condition fretting maps of torsional fretting wear for alloys TA2 and TC4 can be set up. The mixed fretting regime of alloy TA2 is wider than that of alloy TC4. The friction torques increase with the increase of the normal loads and angular displacement amplitudes, and alloy TA2 always presents higher friction torques than that of alloy TC4. In the partial slip regime, the damage of torsional fretting wear is slight. In the mixed fretting regime and slip regime, the damage adds, the wear mechanisms of torsional fretting of alloys TC4 and TA2 are mainly abrasive wear,oxidative wear and delamination.

titanium; titanium alloy; friction and wear; fretting wear; torsional fretting; wear mechanism

TH117

A

1004-0609(2012)1-0099-07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007CB714704)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51025519, 50775192)

2011-06-08；

2011-10-30

朱旻昊，教授，博士；電話：028-87600715; E-mail: zhuminhao@swjtu.cn; 1380800729@139.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)