鈦及其合金的扭動微動摩擦磨損特性

何莉萍，林修洲，蔡振兵，張 強，朱旻昊

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所，成都 610031)

鈦及其合金的扭動微動摩擦磨損特性

何莉萍，林修洲，蔡振兵，張 強，朱旻昊

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所，成都 610031)

采用新型扭動微動試驗機在法向載荷為50、80和110 N及角位移幅值為0.3°~10°的條件下進行TA2和TC4合金與 ZrO2對磨球的扭動微動試驗。在摩擦動力學行為研究的基礎上，結合磨痕形貌微觀分析，考察TA2和TC4合金的扭動微動磨損特性。結果表明：可用摩擦扭矩—角位移曲線和摩擦扭矩時變曲線表征合金的扭動微動行為，獲得了TA2和 TC4合金的扭動微動運行工況微動圖，TA2合金的混合區較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，損傷輕微；在混合區和滑移區，損傷加劇，扭動微動摩擦磨損機制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝落。

鈦；鈦合金；摩擦磨損；微動磨損；扭動微動；磨損機制

扭動微動是指在交變載荷下接觸副界面間發生微幅扭動的相對運動[1]。作為 4種基本微動模式之一，扭動微動磨損大量存在于工業實際中，如人工關節、機械和工具等領域，盡管扭動接觸的理論研究和力學分析已經開展了很多年，但是對于扭動的試驗研究還較少，目前，國外僅BRISCOE等[2-5]對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的扭轉微動行為進行了實驗，研究了PMMA盤與鋼球在純滾動、純扭轉以及不同接觸動力學條件下的微動磨損行為，但扭動微動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道。國內主要是西南交通大學朱旻昊教授課題組對多種材料的扭動微動磨損特性進行了深入、系統的研究，取得的主要進展如下[6-8]：研制了新型扭動微動試驗裝置[9]，實現了球/平面接觸條件下的扭動微動磨損；系統開展了Fe-C合金(工業純鐵、LZ50鋼、20#鋼)、7075鋁合金、PMMA、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以及天然牛髖關節軟骨等材料的扭動微動實驗研究以及鈦合金扭動微動腐蝕行為研究。

鈦及其合金由于具有比強度高、耐蝕性強、生物相容性好、無磁性、接近人骨的彈性模量等優點，在航空航天、艦船制造、化學工業、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用，被稱為“太空金屬”、“海洋金屬”、“智能金屬”等。而微動磨損是鈦材料失效的主要原因之一，探討鈦合金的微動疲勞行為以提高其抗 力，是目前微動損傷學科的研究熱點之一[10]，深入研究其在扭動微動條件下的運行和損傷機理，不僅有助于深入揭示扭動微動損傷規律，而且具有重要的工程意義和學術價值[11]。

1 實驗

采用材料TC4鈦合金棒和TA2純鈦棒，其化學成分和力學性能見表1。將其加工成尺寸為20 mm×5 mm×2 mm的塊試樣，待測試表面研磨拋光至粗糙度Ra=0.05 μm；對偶件為ZrO2陶瓷球(d 28.575 mm)，其成分和力學性能見表 2。在新型扭動微動試驗機上進行扭動微動試驗，試驗參數如下：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；循環次數N從1到5 000，頻率f=0.5 Hz。采用高精度六維傳感器對力和扭矩的 6個分量(Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz)隨循環次數變化的情況進行實時記錄。試驗環境為干態、大氣，室溫((20±3) ℃)。試驗后用光學顯微鏡(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)進行表面分析。

2 結果與討論

2.1 微動運行行為

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、循環次數為1、1 000和5 000次的摩擦扭矩—角位移(T—θ)曲線。當角位移幅值 θ=0.3°時，從第 1次循環到第5 000次循環，TC4合金的T—θ曲線形狀始終為近似直線(見圖 1(a))，表明接觸界面發生的是彈性變形；而TA2合金的T—θ曲線形狀表現為橢圓形(見圖1(b))，說明此時TC4和TA2合金均始終處于部分滑移狀態，隨著循環周次的增加，曲線內封閉的面積(摩擦耗散能)減小，這是因為接觸區不斷加工硬化的結果；如圖1(c)和(d)所示，當θ=1°時，從第1次循環到第5 000次循環，TC4和TA2合金的T—θ曲線形狀表現為橢圓形，說明此時TC4和TA2合金仍處于部分滑移狀態，但是耗散能呈增大趨勢，可能是相對位移增加，表面的切向力增大，使塑性變形得以不斷發生；如圖 1(e)和(f)所示，當 θ=5°時，TC4 和 TA2合金的T—θ曲線從第1次循環到第5 000次循環均表現為平行四邊形，可以判斷兩材料均已處于完全滑移狀態。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變，相應的微動運行狀態則由彈塑性協調的部分滑移向完全滑移轉變。隨著循環次數的增加，TC4和TA2合金的摩擦扭矩逐漸增大。

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

表2 ZrO2的成分和力學性能Table2 Composition and mechanical properties of ZrO2

圖1 向法向載荷Fn為110 N、不同循環次數下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 扭動微動區域特性

圖 2所示分別為 Fn=110 N、循環次數 N=100、1 000、5 000和θ=5°時TC4和TA2合金的磨痕形貌。由圖1可見，TC4和TA2合金的T—θ曲線一直表現為平行四邊形(見圖1(e)和(f))，說明它們的扭動微動運動處于完全滑移狀態，但是扭動微動混合區的判定不同于切向微動，僅根據 T—θ曲線形狀的變化來判斷微動運行區域會產生較大誤差，必須結合磨痕形貌的演變過程來判斷[5]。因此，結合微觀形貌(見圖2)可認為此時TC4合金運行于微動的滑移區，而TA2合金接觸中心在試驗初期時出現粘著區，隨著循環次數的增加，粘著區逐漸消失，根據前期研究[5]結果可知TA2合金處于微動的混合區。兩種合金隨著循環次數的增加，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，在相同實驗條件下，其磨痕尺寸大于TC4合金的，損傷也更嚴重。

圖2 Fn=110 N和θ=5°時TC4和TA2合金在不同循環次數下的磨痕形貌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

經過大量試驗，通過 T—θ曲線分析和磨痕形貌觀察，可判斷扭動微動的運行區域特性，并建立扭動微動磨損運行工況微動圖[5]。圖3所示為TC4和TA2合金的扭動微動磨損運行工況微動圖。可見，隨著角位移的增大，TC4和TA2合金的微動運行區域都從部分滑移區向混合區和滑移區轉變，表明增大角位移，接觸界面越容易發生相對滑移；而增大法向載荷，部分滑移區的寬度增加，混合區和滑移區出現的角位移明顯增大，說明載荷越大，接觸界面發生相對滑移的難度增加；同樣的工況下，TC4和TA2合金處于不同的微動區域，說明材料力學性能的差異導致扭動微動運行區域的變化，增大塑性或降低硬度，微動區域有從部分滑移區向混合區和滑移區方向移動的趨勢。

2.1.3 摩擦扭矩曲線

圖4所示為Fn=110 N和θ=0.3°時TA2和TC4合金在部分滑移區的摩擦扭矩曲線。由圖4可知，在部分滑移區，當θ＝0.3°時，TC4和TA2合金摩擦扭矩都較小，100次循環后緩慢增加，1 000次循環后達到穩定。在部分滑移區，TC4和TA2合金的摩擦扭矩曲線都經歷了3個階段：跑合、上升和穩定階段。

圖3 TC4和TA2合金的扭動微動磨損運行工況微動圖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TA2和TC4合金在部分滑移區的摩擦扭矩曲線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TA2和TC4合金在混合區的摩擦扭矩曲線。由圖 5可知，在混合區，當θ＝1°時(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次循環后達到穩定，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；當θ＝3°時(見圖5(b))，TC4和TA2合金從第1次循環開始扭矩就迅速增加，100次循環后TC4合金的扭矩增加速度放 慢，而TA2相反此時卻呈下降趨勢，200次循環后又增加，TC4和TA2合金在5 000次循環時也未達到穩定。

圖5 Fn=110 N時TA2和TC4合金在混合區的摩擦扭矩曲線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TA2和TC4合金在滑移區的摩擦扭矩曲線。由圖6可知，在滑移區，當θ＝10°時，TC4和TA2合金的摩擦扭矩均出現先增加后下降的情況，并分別在2 000和100次循環后急速增加，第5 000次循環時未達穩定。

圖6 Fn=110 N和θ=10°時TA2和TC4合金在滑移區的摩擦扭矩曲線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，同時摩擦扭矩穩態值所需要的循環次數也增加。在部分滑移區，TC4和TA2合金的摩擦扭矩隨循環次數有相似的規律，摩擦扭矩曲線分為跑合、上升和穩定階段，在混合區和滑移區，在較大角位移和較大載荷條件下，接觸界面發生了較強的塑性變形，摩擦扭矩在5 000次循環時沒有達到穩定階段；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，TA2合金從第1次循環開始摩擦扭矩就較大，這與TA2合金的硬度低、塑性大、接觸表面發生了嚴重的塑性變形有關。

2.2 磨損機制分析

在部分滑移區，磨斑中心粘著，僅在磨痕外側有輕微損傷。在混合區和滑移區，由于磨粒參與作用，出現了環狀犁溝和呈褶皺狀(與塑性流動相關)的剝落層(見圖7(a)和(c)，這里只列出了Fn=110 N和θ=5°時TC4合金在混合區、TA2合金在滑移區磨痕的SEM形貌及EDX分析)，這是由于隨著角位移的增大，表面交變應力的作用增強，導致損傷加劇，以至接觸界面發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，磨損區發生了明顯的氧化(見圖7(b)和(d))，并有大量的Zr元素從ZrO2對磨球轉移過來。因此，TC4和TA2合金在扭動微動磨損機制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

圖7 Fn=110 N和θ=5°時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變，相應的微動運行狀態則由彈塑性協調的部分滑移向完全滑移轉變。

2) 建立了TA2合金的扭動微動運行工況微動圖。在同樣的工況下，TC4和TA2合金處于不同的微動區域，說明材料力學性能的差異導致扭動微動運行區域的變化，增大塑性或降低硬度，微動區域有從部分滑移區向混合區和滑移區方向移動的趨勢。

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合金發生更多的塑性變形有關。

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

REFERENCES：

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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

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2007CB714704)；國家自然科學基金資助項目(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 陳衛萍)