形状记忆合金的机敏摩擦学特性研究.doc

形状记忆合金的机敏摩擦学特性研究形状记忆合金(SMA)不仅具有形状记忆效应,而且在一定条件下还具有良好的耐磨性,但由于其硬度较低,用传统的磨损机理无法解释这种现象。SMA在感知外界应力的前提下,能够改变自身的伪弹性模量和伪弹性应变,从而在摩擦接触过程中改善微凸体与材料表面的接触状态,表现出机敏摩擦学特性。本文立足于接触问题,采用弹塑性有限元和实验相结合的方法,对SMA的机敏摩擦学特性及磨损机理进行研究的同时,提出了SMA机敏摩擦学材料设计准则。在有限元分析中采用等向强化力学模型,对TiNi合金受单微凸体法向载荷、滑动载荷以及多微凸体接触模型加载阶段进行了分析;在实验部分当中,用纳米力学探针及Vickers压头与原子力显微镜相结合的方法对超弹TiNi合金的接触行为进行了研究,并在干滑动摩擦磨损条件下,把TiNi合金同奥氏体不锈钢的耐磨性进行了比较。总结全文,得到以下一些结果及主要结论:1.SMA在摩擦接触过程中所体现出的机敏摩擦学特性主要表现有:(1)提高材料塑性变形临界载荷的同时,也使材料塑性变形区域的面积减小,而且增加了合金的最大弹性应变,减少了塑性接触的微凸体数目。(2)伪弹性模量的降低减小了最大vonMises应力、接触应力以及接触界面间的摩擦应力,并使vonMises应力和接触应力其随载荷增加而增加的速度变缓,这种趋势在高载荷下更加明显。(3)SMA在磨粒或微凸体接触压入过程中产生较大的弹性恢复,残留的塑性变形较小,在载荷为2000μN时,伪弹性应变为0.055的TiNi合金的弹性恢复量是45#钢的1.8倍,而其塑性变形只有45#钢的60%,在载荷为0.49N和0.98N时,其弹性恢复量分别是不锈钢的1.40倍和1.31倍。2.SMA的磨损机理为:SMA塑性变形临界载荷的提高、塑性区域面积的减小以及弹性变形能力的增强可以减小磨粒的塑性嵌入,降低材料的破坏范围,形成的犁沟浅而窄,因而具有较好的耐磨粒磨损特性;接触表面应力的降低及塑性变形区域向材料表面的推迟,减小了裂纹在表面的发生,塑性变形临界载荷的提高和塑性变形区域的减小延缓裂纹在材料内部的形成,并限制了裂纹形成的范围,因而表现出耐疲劳磨损特性。总的说来,由于SMA在摩擦接触过程中表现出机敏摩擦学特性,因而具有较好的耐磨粒磨损和耐疲劳磨损性能。