纯钛与钛合金及其氮离子注入层的扭动微动行为研究
发布时间：2017-09-29 21:05
本文关键词：纯钛与钛合金及其氮离子注入层的扭动微动行为研究
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【摘要】：扭动微动是在法向交变载荷下接触副间发生的往复微幅相对扭动,在工业、医疗等领域普遍存在。表面改性技术具有低成本、易实现和性能优异等优点,能够有效减缓微动损伤、提高材料的抗磨损性能。本研究以典型生物合金材料为研究对象,考察基体材料及其氮离子注入层在扭动微动中的损伤机理和机制,能丰富摩擦学研究。 本研究选用常用医学材料：纯钛TA2、Ti6A17Nb和Ti6A14V钛合金三种基材以及三种基材经过不同剂量氮离子高能离子注入后的改性样品。扭动实验采用球-平面接触,在配有低速高精度往复转动台和六维传感器(X、Y、Z方向的力和扭矩)的UMT摩擦磨损试验机上进行。三种基体材料及其改性层为平面试样,对磨副ZrO：陶瓷球,润滑环境采用模拟体液小牛血清溶液介质下进行。采用显微硬度仪、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)和表面形貌仪等微观分析手段,结合微动磨损动力学特性分析,系统研究了纯钛、钛合金及其离子注入改性层的微动运行行为和损伤机理。获得的主要结论如下： 1.纯钛与钛合金金经离子注入后,在材料的表面形成了新相氮化钛,改性层表面呈脉络状突起,表面的粗糙度显著增大。随着氮离子注入剂量的增加,改性层的硬度和粗糙度逐渐变大。 2.扭动微动实验表明,氮离子注入很好的提高了纯钛与钛合金的抗扭动微动磨损性能。在小角位移θ=0.5°时,纯钛与钛合金的T-θ曲线呈现椭圆形,扭动微动处于混合区。离子改性层的T-θ曲线开始向直线型转变,说明氮离子使得改性层延缓了滑移区的到来；θ=5°和15°时,纯钛与钛合金基材与改性层的T-θ曲线都呈平行四边形,扭动微动磨损运行于滑移区。因此,氮离子注入改性并没有改变材料在大角位移下的扭动微动运行区域；扭矩循环曲线一般呈现三个阶段：跑合阶段,上升阶段以及平稳阶段,在小角位移下,基材与改性层的扭矩循环曲线平稳且数值较低。在大角位移下,相比较于改性层,基体进入稳定的摩擦扭矩阶段所需要的循环次数更少。 3.研究发现：在部分滑移区,纯钛与钛合金基体为轻微的磨粒磨损,氮离子改性层几乎未见损伤；在混合区,纯钛与钛合金基体表面有大量的磨屑堆积、片状脱落和剥层,其损伤机制为磨粒磨损；在滑移区,基体材料磨痕中心有片状剥落、外缘则有大量磨屑,其损伤机制为剥落和氧化磨损,氮离子改性层的损伤机制为磨粒磨损。
【关键词】：纯钛 钛合金 离子注入 扭动微动 小牛血清溶液 损伤机制
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH117;TG146.23
【目录】：
- 摘要6-7
- ABSTRACT7-12
- 第1章 绪论12-24
- 1.1 引言12-13
- 1.2 微动摩擦学的研究发展13-15
- 1.2.1 微动摩擦学13-14
- 1.2.2 微动的形式14-15
- 1.3 扭动微动及其研究进展15-18
- 1.3.1 扭动实例15-17
- 1.3.2 扭动微动研究现状17-18
- 1.4 表面工程抗磨损研究现状18-20
- 1.5 高能离子注入20-22
- 1.5.1 高能离子注入技术的概况20
- 1.5.2 高能离子注入技术的特点20-21
- 1.5.3 高能离子注入技术的原理21-22
- 1.6 本文研究意义和内容22-24
- 1.6.1 本文研究意义22-23
- 1.6.2 本文研究内容23-24
- 第2章 试验方法与材料24-36
- 2.1 试验材料的选择24-25
- 2.1.1 平面式样的选择24
- 2.1.2 试样制备24
- 2.1.3 对磨球的选择24-25
- 2.2 试验介质25
- 2.3 氮离子注入处理25-27
- 2.5 分析方法27
- 2.5.1 离子注入层的表征27
- 2.6 改性层的性能27-33
- 2.6.1 颜色和粗糙度27-31
- 2.6.2 氮离子注入层的成分分析31-32
- 2.6.3 离子注入层的硬度32-33
- 2.7 扭动微动实验装置33-34
- 2.8 磨痕的微观分析34-36
- 第3章 纯钛TA2及其离子注入层在血清溶液中的扭动微动磨损行为研究36-50
- 3.1 扭动微动运行行为分析36-41
- 3.1.1 扭矩循环曲线36-40
- 3.1.2 扭矩时变曲线40-41
- 3.2 扭动微动损伤行为分析41-46
- 3.2.1 磨痕形貌分析41-44
- 3.2.2 磨痕二维轮廓曲线44-46
- 3.3 扭动微动损伤机理分析46-49
- 3.3.1 TA2合金基体46-47
- 3.3.2 TA2合金离子注入改性层47-49
- 3.4 本章小结49-50
- 第4章 Ti6A14V合金及其离子注入层在血清溶液中的扭动微动磨损行为研究50-64
- 4.1 扭动微动运行行为分析50-55
- 4.1.1 扭矩循环曲线50-53
- 4.1.2 扭矩时变曲线53-55
- 4.2 扭动微动损伤行为分析55-60
- 4.2.1 磨痕形貌分析55-58
- 4.2.2 磨痕二维轮廓曲线58-60
- 4.3 扭动微动损伤机理分析60-63
- 4.3.1 Ti6A14V合金基体60-61
- 4.3.2 Ti6Al4V合金离子注入改性层61-63
- 4.4 本章小结63-64
- 第5章 Ti6Al7Nb合金及其氮离子注入层在血清溶液中的扭动微动磨损行为研究64-80
- 5.1 扭动微动运行行为分析64-69
- 5.1.1 扭矩循环曲线64-68
- 5.1.2 扭矩时变曲线68-69
- 5.2 扭动微动损伤行为分析69-74
- 5.2.1 磨痕形貌分析69-73
- 5.2.2 磨痕轮廓分析73-74
- 5.3 扭动微动损伤机理分析74-78
- 5.3.1 Ti6AI7Nb 合金基体74-76
- 5.3.2 Ti6Al7Nb合金离子注入改性层76-78
- 5.4 本章小结78-80
- 第6章 基体材料及其离子注入层的扭动微动磨损对比分析80-90
- 6.1 扭动微动运行行为对比80-84
- 6.1.1 T-θ曲线80-82
- 6.1.2 摩擦扭矩时变曲线82-84
- 6.2 扭动微动损伤对比84-86
- 6.3 扭动微动损伤机理对比86-88
- 6.4 本章小结88-90
- 结论90-92
- 致谢92-93
- 研究展望93-94
- 参考文献94-97
- 攻读硕士学位期间发表的论文97
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 蔡振兵;朱e，
本文编号：944199
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