（机械设计及理论专业论文）表面改性镍钛合金的微动性能与纯铁纳米压痕尺寸效应研究.pdf

西南壹通夭擎商士菥蠢毕孽位器量 堑l l 页 l 彗i ； 薹掌 妻 薹垂 l 耋霉l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 b e 觚嘲缸l e 吼1 r f k e m o d i 丘e dl a y c ra i l d 也en i t is u b s 舰t e o m ec o n t r a 吼t h e s u r f a c el a y 盯o fn i t im 血1 yc o n s i s t so fa n a t 髂ep h 嬲et i 0 2m e r1 0 wt e m p e r 抛e o x i d a t i o nm o d i f i c a t i o n ( 4 0 0 。c 5 0 h ) i tc a ne 腩c t i v e l yi m p r o v em ec o n d s i o na 1 1 d 丘c t t i n gw e a rr e s i s t a n c eo fn i t id u et o 也es 仃o n gb o n d i n gs 仃e n g t l lb e t 、v e e nm e a 1 1 a t a s ep h 笛et i 0 2l a y e r 柚d 也en i t is u b s t r a t e 4 t h ep r e - p 1 觞d cd e f o m a t i o ns h o w sas 仃o n ge 腑c to nt h ed i s l o c a t i o n c o n 丘g u r a t i o n a 1 1 dt h ei n d e n t a t i o ns i z ee f r e c to fi r o ns a 玎叩l e s w 妯m ei n c r e a s ei n 1 e s 打a i l l ，t h ec o r r e s p o n d i i l gi n d e m a t i o ns i z ee 饪b c to fi f d ns a m p l eb e c o m e sw e a k t h e s t r a i n g r a d i e n tp l 枷c i t ym o d e lf o r 枷e t a t i o nc a n 越e r p r e tm ei n d e n t a t i o ns i z e e 任b c tw i t hs a l i s f i e dd r e c i s i o n k e yw o r d s ：s u r f a c em o d i 6 c a t i o n ；n i t is h a p em e m o r ya l l o y ；f r e t t i gw e a r ； f r e t 廿n gc o l l o s i o ；t a r t e s i t el - e o r i e t a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 到高温形状，这就是形状记忆效应。形状记忆共有三种类型：单程记忆效应、 双程记忆效应和全程记忆效应，如表1 1 。 表1 一l 形状记忆效应类型 状态单程双程全程 初始状态凹凹凹 变形 匕二仁= = 加热凹匙夕凹 冷却凹 螽 如果随后再进行冷却或加热，形状保持不变，上述过程可以反复进行， 则称为单程形状记忆效应。 如果对材料进行特殊的时效处理和热机械训练，在随后的加热和冷却循 环中，能重复记住高温状态和低温状态的两种形状，称为双程形状记忆效应。 某些材料在实现双程形状记忆的同时，继续冷却到更低温度，可以出现 与高温完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。 1 ，2 2 超弹性 黼鬻 ， 洲洲； 亳 卅镬 _ - 栩 甜d _ 捌- _ 嘲h 图1 2 形状记忆效应微观示意图 超弹性( s u p e r e l a s t i ce 骶c t ) 也称相变伪弹性。施加应力使形状记忆合 金在产生弹性变形后产生更大的非弹性变形，卸载后形状记忆合金能够马上 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 恢复到变形前的形状。和普通金属的弹性变形不同的是：形状记忆合金的可 回复应变量大( 5 ) ，而且应力应变关系呈现出非线性。这种行为被称为超 弹性或伪弹性。 在温度f 以上材料处于奥氏体状态，施加外力，产生应力诱发马氏体相 变。但是在温度爿f 以上马氏体是热力学不稳定的状态，而母相是稳定状态， 所以卸载后，在应力作用下存在的马氏体将发生逆相变回到母相状态。应力 诱发的马氏体数量为外加应力的函数，即当施加的外应力增加时，母相转变 为马氏体相的数量增加，当应力减小时则进行逆相变使母相增加。 形状记忆效应和超弹性是密切相关的。一般来说，只要临界滑移应力足 够高，在同一试样中，依据实验温度的不同形状记忆效应和超弹性均可观察 到。自4 。以下加热至爿f 可出现形状记忆效应，而超弹性出现在4 f 以上，这 是因为如果没有应力作用，马氏体是完全不稳定的。在4 。叫f 温度范围内， 两者部分出现。 如图1 3 所示，当n i t i 合金的母相为奥氏体相时，在加载阶段，随着应 力的增加，将首先发生奥氏体的弹性变形；当应力达到一定值时，开始发生 马氏体相变，应力基本保持不变而应变却不断增加。如果卸载时相变变形可 完全恢复，则n i t i 合金表现出超弹性，如图1 3 ( a ) 所示；如果卸载时相变变 形不能自动恢复，需加热发生马氏体逆相变才能恢复，则n i t i 合金表现出形 状记忆效应，如图1 3 ( b ) 所示。 图1 3 超弹性和形状记忆效应n i t i 合金典型的应力一应变曲线 1 3 n iti 合金的应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 形状记忆合金的应用开始于2 0 世纪7 0 年代。发展至今，公开的专利上 万件，合金的种类达几十种之多，其中n i t i 合金由于具有优良的生物相容性、 高疲劳寿命、高阻尼、耐蚀、耐磨、形状记忆效应和超弹性等优良特性，被 广泛的应用于微机电系统和生物医学领域7 1 。 1 3 1 微机电系统 n i t i 合金是微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a i l i c a ls y s t e m ，简写为 m e m s ) 理想的传感器和驱动器元件。m e m s 是集微型机械、微传感器、微控 制器和微驱动器于一体的机械装置，其基本特征决定了微驱动器不可能是传 统驱动器的模拟缩小，因而亟需开发新型的微驱动器。目前，国际上已研制 出静电型、压电型、热膨胀型、磁控型、双金属型以及形状记忆合金( s h a 口e m e m o r ya l l o y ，简写为s m a ) 型驱动器。其中，s m a 以其功密度( 单位体 积的输出功率) 高、输出力和位移大等突出优点极具开发潜力；并且与其他 普通驱动器相比，s m a 驱动器有以下几个优点惮】： f 】) 功率质量比大：驱动器质量越小，优势越明显。 ( 2 ) 驱动器结构简单：s m a 驱动器可以在s m a 的相变过程中直接输出 力和位移，不需要任何减速机构。 ( 3 ) 无污染和噪音：由于s m a 驱动器不需要减速齿轮这样的摩擦机构， 使驱动器可以在不产生磨屑和噪音的状态下工作。 ( 4 ) 传感功能：利用s m a 电阻参数的变化，可以检测到温度的变化。s m a 驱动器可以在没有外加传感器时就可实现反馈控制。 在各种s m a 中，n i t i 合金是实用化程度最高的形状记忆合金，其功率 密度高达2 5 1 0 。0 ，m 3 ，比其它类型微驱动材料高两个数量级1 9 。高功密度材 料研制出的驱动器，输出功率不变但结构尺寸更小，或者结构尺寸不变但输 出功率更大。 研究n i t i 合金微驱动器已有2 0 余年历史，已研制出微阀、微开关、微 机械臂以及微泵等各种装置们。 图1 4 是一微泵示意图及其工作原理图。上下两片n 汀i 合金金属片分别 用不同的温度控制其变形。当上n i t i 合金驱动片冷却而下n i t i 合金驱动片 加热时，驱动片的变形使泵内腔体容积变大执行泵入的动作；而当上n i t i 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 合金驱动片加热而下n i t i 合金驱动片冷却时，驱动片的变形使泵内腔体容积 减小将泵入的液体排出泵外，从而实现泵出的功能。 ( a ) 泵入( b ) 泵出 图l _ 4n i t i 合金的应用一微泵 图l 一5 所示为一n i t i 合金薄膜驱动的驱动阀全套零件图。阀的组成包括 一个硅膜孔板，一个用n i t i 形状记忆合金微带控制提升的驱动模，以及一个 固定在提动头( 对着模孔) 上的偏置弹簧，因此构成了一个常闭的气动阀。 当5 0 1 5 0 m a 的电流在n i t i 合金驱动器中流过时，他收紧并提升提动头离开 模孔，阀打开，通过反馈达到比例控制。组合阀尺寸为5 m m 8 m m 2 m m ，被 密封在一个塑料壳中，以便在线连接或用螺栓连接到管子上。阀的主要部件 是驱动器，如图中所示。n i t i 合金微驱动器的设计还可以将几个阎放在一个 硅衬底上，这样可以制成并联阀系统，用于微射流技术。 在大多数的微驱动器中，n i t i 合金多为厚度仅几个微米的纳米多晶薄膜， 由于表面效应和尺寸效应的影响，在大的输出力和位移下容易因磨损而失效。 例如，n i t i 合金微泵在反复地泵入泵出过程中，n i t i 合金驱动片的往复变形、 液流冲击力以及与硅基体结合面的变形滑动都会使n i t i 合金驱动片产生磨 损，导致微泵失效，不仅微泵如此，其他n i t i 合金微驱动器中也可能存在着 类似的磨损过程。 因此，为了提高n i t i 合金m e m s 器件的使用寿命，有必要研究该合金 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 苴槛 掸蔓接头 蠕钉扩 图1 。5n j t i 合金的应用一微阀 的微摩擦磨损特性，探求提高耐磨性的途径。 1 3 2 生物医学领域 n i t i 形状记忆合金已经有多种临床应用，其主要的医学应用领域如表1 2 所示。 牙齿矫形丝是临床应用较早的生物医学技术1 ”，可以用不锈钢或n 汀i 记忆合金来制作。不过不锈钢质的矫形丝在牙齿运动过程中矫形力的释放速 度很快，影响矫形效果。而用n i t i 合金不锈钢丝制作的矫形丝不存在类似的 问题，它可与牙齿运动相适应，在相当长的时间内保持基本恒定的作用力， 并在矫形师必须再次紧固矫形丝之前允许牙齿发生较大位移，这是由于超弹 性材料比普通钢材在承受相同的最大应力时可以储存更多的弹性能的原因。 n i t i 记忆合金在生物医学领域应用的另一个范例是用于脊柱侧弯矫形用 哈仑顿棒，在植入人体后，通过记忆恢复变形来产生和控制矫正力，并通 过记忆恢复变形来控制矫正力，克服了不锈钢哈仑顿棒需要多次手术调整矫 正力的不足，大大减轻了病人的痛苦。其他如骨折、骨裂等所需的固定钉或 固定板f l6 1 都是将n i t i 合金的4 f 温度定在体温以下。先将合金板( 或合金钉 等) 按所需形状记忆处理定型，在手术时，将定型板在冰水中( 使用材料拉扭试验机( m t s ) 和纳米压痕仪，结合透射电子显微镜 ( t e m ) 分析，实验研究了拉伸预应变对纯铁的纳米压痕硬度尺寸 效应的影响。从实验结果出发，验证应变梯度塑性模型的合理性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章实验材料和方法 2 1 实验材料的制备及其表征 2 11 材料选择及表面改性方法 实验材料选用德国m e m o r y m e t a l l eg m b h 公司生产的直径为1 6 m m 的商 用n i t i 合金棒料。合金中n i 和t i 的质量百分比分别为5 5 7 和4 4 3 。d s c 测试结果显示其相变温度：一。、爿廿、彳f ( 加热时奥氏体相变起始、峰值、结 束温度) 和 磊、 矗、尬( 冷却时马氏体相变起始、峰值、结束温度) 如袁 2 一l 所示，表明该n i t i 合金在室温下表现出形状记忆效应。x r d 分析表明： 该n i t i 合金的室温相主要为b 2 奥氏体相，另外还有少量的b 1 9 马氏体相。 表2 1n 1 t i 合金相变温度 爿s ( 。c )4 ( 。c )彳f ( 。c )坛( 。c ) 晦( 。c )坼( 。c ) n i t i1 83 44 81 721 6 为了准备微动实验样品，使用线切割机将n i t i 合金棒料切成 1 0 m m x 2 0 m m 4 m m 的实验块，在进行表面改性前先用不同筛号( 最后使用 1 2 0 0 筛号) s i c 砂纸将n i t i 合金表面打磨至满意的粗糙度，再浸泡于丙酮中 用超声波清洗，然后在热空气中干燥。 n 1 t i 合金样品块被分成四组，一组为未经处理的原始n i t i 合金，其他三 组均在含有氧的混合气体炉中加热处理，并随炉冷却。通过改变温度和时效 时间得到三组不同的表面改性样品( 记为m 1 、m 2 、m 一3 ) ，如表2 2 所示。 表2 2n 1 t i 台金三种不同的表面改性方法 表2 2n 1 t i 合金三种不同的表面改性方法 样品 温度( 。c )明间( h o u r ) m 一1 m 2 m 3 7 0 0 6 5 0 4 0 0 o 5 】 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第3 章表面改性对镍离子析出的影响 本章主要在模拟穗糍谨馐强制游 滢弱忻嘲镌馐懦慷温蛳功涮融拥旺跏 静魏抟蠢靼地翌虫鬯麓群砰册臻巩吲 豌戳匿名陵矮爵翡d 鹩薪煦融持雾 塾霞嚣蔷崔孺；鞭静 购鄯椒刂蒲购凵疃5 0 0 n m ，加载方式为线性加 载，加卸载时间各为30s，在最大载荷处保持2s。采用berkovich型金刚石压 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 n j t i m 一1 2 m - 3 图2 3 四种样品的纳米压痕硬度和弹性模量 头。所得纳米压痕硬度与弹性模量如图2 3 所示。 四种样品的纳米压痕硬度大小顺序依次为m 2 m 1 m 一3 n i t i ，样品 m 3 的硬度基本上与n m 合金基体相同，而m 2 的硬度约为n 汀i 合金基体 的两倍。另外，m 3 的弹性模量接近于n i t i 合金基体：m 一2 的弹性模量最大。 表面改性层与基体的结合强度 对表面改性n i t i 合金的改性层与基体的结合强度进行了划痕测试4 引， 如图2 4 所示，随着法向载荷的增加，摩擦力也逐渐增大，当摩擦力发生突 变时，m 3 上的法向载荷达到了9 0 n ，而m 2 上的法向载荷约为5 0 n ，m 一1 的测试结果与m 一2 相似，这说明m 3 上的改性层与基体的结合强度要比m 1 和m 2 高出约一倍。 图2 4 摩擦力与载荷的一阶导数 ( a ) m - 2 ( b ) m 一3 柏 加 。 一日也。一址丌ijpou一；搴面 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 2 实验装置和参数 2 2 1 实验装置 所有微动实验均在如图2一l所示的ds20型plint水平液压伺服微动疲 劳试验机上进行。试样1和2构成球平面接触副，球试样在夹具3夹持下随 活塞4作往复运动，平面试样则由夹具5固定在试样室12；载荷传感器6布 置在两试样接触面轴线上，以测量摩擦力：相对位移大于60“m时由活塞内 部的传感器测量，否则用外加位移传感器7测量；法向载荷通过细钢绳8由 螺纹系统施加，为消除夹具系统和球试样的重量对法向载荷的影响，通过杠 杆系统用配重9平衡；高温环境由电阻加热10实现，温度控制通过热电偶 1 1 进行；润滑和液体介质条件，在试样室1 2 内实现。d图2 1 p l i n t 高温微动试验机装置结构示意图 1一球试样：2一平面试样；3一球试样夹具；4一液压系统活塞： 5一平面试样夹具；6一载荷传感器(摩擦力测量)；7一外加位移传感器；8 一钢绳( 法向载荷旖加) i 9 一配重；l o 一加热器；1 i 一热电偶：1 2 一试样室 2 2 2 实验参数 (1)表面改性对镍离子保护实验 实验前初步确定了如下的实验参数法向载荷=100n： 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 微动频率户1 h z ； 循环次数 ，三1 0 0 0 0 次： 微动位移d = 5 5 0 u m ； 体液体积肛1 5 0 m l ； 初步检测结果表明，在没有进行表面改性的n i t i 合金基体上即使采用磨 损最剧烈的工况在5 0 “m 的滑移条件下，在提取的体液中检测出的镍离子浓 度都很小，仅为0 7 肛g l ；且在不同位移幅值实验条件下，镍离子析出的浓度 差别不大，难以评判不同表面改性的方法对镍离子析出的保护性能。因此， 为了增加n i 离子的析出，需增大法向载荷，n 、循环次数或微动位移d ， 由于实验设备的刚度和微动条件下位移上限原因，f n 不宜增加，微动位移d 可增加至1 0 0 “m ，循环次数选取l o o o o 、2 0 0 0 0 、5 0 0 0 0 z 。最终确定的试验参数如下： 专法向载荷f n = 1 0 0 n ：微动 频率户5 h z ；循环 次数= l o o o o 、2 0 0 0 0 和5 0 0 0 0 次：微动 位移d = 1 0 0 “m ；体液 体积肛1 5 0 m 1 ；各种条 件下的有效实验均重复两次。( 2 ) 表面改性对niti合金微动性能的影响实验微动实 验的参数确定如下：法向 载荷r = 1 0 0 n ；微动 频率户5 h z ：循环 次数= 1 0 0 0 0 次；微动 位移d = 5 5 0 u m ：体液 体积肛1 5 0 m 1 ；2 3 微观分析方法( 1 ) 镍离子浓度分析采用原子吸收光谱仪( a t o m i ca b s o r p t i o n s p e c t r o m e t e r ，a a s ) 对实验后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 _ ，i 。h 。ii !。j b 点e d x 能谱图c 点e d x 能谱图 】 。 - 1 a 点e d x 能谱图 _ 。墨i 一【!。越 一 。i 。 。 b 点e d x 能谱图c 点e d x 能谱图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 h ? i i 。卜。，【。 。 a 点e d x 能谱图b 点e d x 能谱图 oh l il 。， 。上 。 ：“ c 点e d x 能谱图d 点e d x 能谱图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 第4 章表面改性对n i t i 合金微动性能的影晌 表面改性层在抑制镍离子析出的同时，会部分屏蔽n i t i 合金中马氏体的 相变和重取向。因此，改性层对n i t i 合金的微动行为可能有较强的影响，如 弹性变形协调能力的减小和微动区的变化。 本章主要通过n i t i 合金及其改性层在模拟体液( r i n g e r 溶液) 中不同位 移幅值下的微动实验，结合磨斑的形貌及剖面分析，讨论了表面改性对n i t i 合金微动性能的影响。 4 1 表面改性对n i t i 合金微动动态性能的影响 由于表面改性对n 汀i 合金表面特性( 如硬度、弹性变形协调能力及相变 等) 会产生较大的影响，进而对其摩擦特性产生相应的影响，本节讨论了表 面改性对n i t i 合金三维微动图、微动运行区域及摩擦力的影响。 4 1 1 微动运行区 图4 一l 给出了表面改性前后的n i t i 合金在r i n g e r 体液中于不同位移幅值 下摩擦力一位移一循环次数的三维微动图( 只一d 一曲线) 。 随着位移幅值的变化有三个典型的微动区域。对于n i t i 合金，当微动位 移幅值d 0 肿时，几乎所有的微动循环都是闭合的，表明在l o 岫这一位 移幅值下，n i t i 合金与1 c r l 3 的微动运行于部分滑移区；当位移幅值d 显0 肿 时，所有的摩擦力一位移曲线( 一d 曲线) 都是平行四边形形状，属于完全滑 移区的特征；当位移幅值d = 1 5 肿时，其三维微动图稳定于一个椭圆衄线， 表明微动运行于混合区。 然而，n i t i 合金与1 c r l 3 摩擦副的微动运行区域会受n i t i 合金表面改性 层的影响。如图4 1 中所示，相对于n i t i l c r l 3 摩擦副来说，表面改性层扩 展了的完全滑移区，且将混合区与部分滑移区移动到个相对较小的位移幅 值范围内。而且，不同的表面改性对微动图的影响不同。改性后的m 一1 将 n 汀i l c r l 3 的混合微动区从d = 1 5 肛m 移到d = 7 岫，将其部分滑移区从d 丑0 肿 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 3 页 减小为d 肿：而改性后的m 2 和m 3 将混合区和部分滑移区分别减小为 d = 1 0 肛1 和d 尊胂。 从各样品的纳米压痕硬度和弹性模量来看，尽管n i t i 合金表现出更好的 弹性变形协调能力，但其弹性模量仍大于m 3 ，由此可推测，n i t i 合金的弹 性模量并不是其拥有良好的弹性变形协调能力的主要原因。 为更好地理解表面改性对n i t i 合金的微动区的影响，将n i t i 合金及其 改性后的样品在完全滑移区的n d 曲线单独提取出来做对比，图4 2 给出了 图4 一l 不同位移幅值下表面改性前后n 汀i 合金的三维微动图 在微动初期阶段( 2 5 0 ) 各样品的r d 曲线。 在滑移区，微动在开始滑移前f t 。d 曲线的斜率实际上反应了摩擦副的切 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 向刚度。由于改性层与l c r l 3 不锈钢球的r d 曲线在开始滑移前的斜率近似 于直线，因此各样品表面的改性层与不锈钢球摩擦副的切向刚度随摩擦力r 的增加而保持不变。然而，n i t i l c r l 3 摩擦副的r d 曲线在滑移前可明显分 为两段不同斜率的直线，其切向刚度由此会发生变化。这是由于n i t i 合金在 微动过程中产生了应力诱发的马氏体带重取向，如图4 3 所示。在微动循环 中当摩擦力f t 开始改变方向时，n 汀i 合金马氏体带会发生重取向变形，增加 了n 汀i 合金的弹性变形量，使得摩擦副的切向刚度变小从而导致r d 曲线 斜率的减小。 4 1 2 摩擦特性 除了摩擦力一位移曲线( 只d 曲线) 外，摩擦力也同样是微动运行行为的 一个重要参数。图4 4 所示为在不同的位移幅值d 条件下，摩擦力r 随循环 图4 4 摩擦力f t 曲线图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 6 页 次数变化的曲线图。 在最初的几个微动循环过程中，所有的只d 曲线中r 都迅速增加，可以 理解为由于表面污染层的去除和接触面积的增大导致摩擦力的迅速上升 副】。随后，由于样品表面和对磨件l c r l 3 不锈钢之间的粘着接触，使摩擦 力r 逐渐达到一个峰值。当循环次数达到5 0 0 0 次左右，摩擦力，t 趋于一个 稳定的值。图4 5 所示为不同样品与l c r l 3 不锈钢微动运行稳定后的摩擦力 只劬l 。曲线圈。 当位移幅值d = 5 胂时，如图4 4 ( a ) 所示，各样品的摩擦力r 在微动初 期阶段( 大约几百次循环) 迅速增加后逐渐趋于稳定值；其r d 曲线近似于 一条闭合直线，说明微动运行于部分滑移区。而三种表面改性的样品稳定后 的摩擦力r 几乎相同，这可能是由于三种改性层具有相同的剪切刚度。 d ( 阻n ) 图4 - 5 各样品在不同位移下稳定后的摩擦力只t a b l 。曲线图 由于n i t i 合金较低的弹性模量及应力诱发的马氏体重取向，因而它具有 较好的弹性变形协调能力，从而表现出相对较小的稳态摩擦力只。 当位移幅值d = 7 肛m 时，如图4 4 ( b ) 所示，m 1 的三维微动图时而打开时 而闭合，是典型的微动混合区的微动图，表明该样品与1 c r l 3 的微动运行于 混合区；因此，m 1 的微动摩擦力随着微动循环次数的增加表现出较大的变 动。在该位移幅值下，m 2 、m 3 和n i t i 合金基体仍运行在部分滑移区。稳 定时的摩擦力与位移幅值d = 5 脚时相似，三种改性后的样品的稳态摩擦力 近似相等但都比n i t i 合金基体要高。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 1 页 重取向从而降低了n i t i 合金的弹性变形协调能力。正如图4 9 所示，在 d = 1 0 肛1 的小位移幅值情况下，所有表面改性后样品上磨斑的最大磨损深度 均要比未经处理的n i t i 合金上的大很多。 其次，对于表面改性后的n i t i 合金样品而言，表面改性层与基体的结合 强度在决定其抗微动磨损性能方 x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 3 页 瓯的值作一条曲线如图5 8 所示。 1 通过曲线拟合，毒：与拉伸屈服应力之间有如下线性关系： 矗+ 1 1 三= = o 2 5 + 3 4 8 盯。 ( 5 8 ) 、 + 7 该拟合的结果能够很好的符合n i x 和g a o 的理论，然而方程5 8 存在着 一个明显的非零截距，这是与该理论不符合的地方，这个截距也正表明了硬 度与屈服应力之间的关系比应变梯度塑性模型中的更为复杂 6 9 】。 因此，综合而言，从实验和分析结果看来，n i x 和g a o 发展的应变梯度 塑性模型( s g p ) 理论能够很好地描述压痕尺寸效应。 5 5 小结 r 莹 誊 妥 o = ，( g p a ) 图5 - 8 不同预拉伸样品特征长度 + 与其拉伸屈服应力仉曲线 本章内容主要通过实验研究了不同预塑性应变条件下纯铁纳米压痕硬度 的尺寸效应。重点讨论材料的预塑性应变、位错组态和密度与纳米压痕硬度 尺寸效应之间的关系。同时通过对实验结果的分析以及对拟合参数日，、特征 长度 t 和纯铁样品拉伸屈服应力的讨论，进一步验证了压痕的应变梯度塑性 模型的正确性。同时，得出了以下几点结论： 1 纯铁的预塑性应变对其内部的位错组态和材料的纳米压痕硬度尺寸 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 结论 本论文通过对表面改性前后的n i t i 合金在模拟人体环境中的微动试验 研究，揭示了不同的表犁羹黝鲢爿酵毙酬酗酬酏摧醚丌贮到惦舅刊的；粥隅 幢锄越哒置霭葱蛩彗誉；坠蚕韭堕舅錾篓梯席耩封嚣簪苫拓鞋簋亘描掰答赫 藩牾墨瑟踊掣最。留涨躐翟锤堡囊哩鬻封? ! 二豁礁甄醺军j 裂甭鲁强坚撑i 基；必雪誊算霞则到蛰羹i 洹圜囱囊驯： 高出将近2 0 。这是由于 纳米压痕硬度的测量是在有限的深度范围内，而在此测量范围内不可避免的 存在着拟合误差，尤其是在最大深度 接近于材料的特征深度 + 时。在硬度 的压痕实验中，由文献【陀】可知材料的硬度大约是屈服应力的三倍。因此，公 式5 5 中的因子2 7 8 比公式5 4 中的4 2 3 更加合理一些。 5 4 2 关于特征长度厅 对于给定的材料和压头形状来说，材料的特征长度 + 并不是一个常量。 它通过硬度凰取决于统计存储位错密度69 1 。正如表5 1 所示，当纯铁的应变 从0 增加到1 0 时，材料的特征长度 从1 8 0 6 n m 锐减至4 3 9 姗；随着应变 的进一步增至2 5 ，特征长度 + 只是从4 3 9 n r n 缓慢地减小到3 9 l n m ，在这 个变化过程中位错组态却发生了很大的变化，从低应变时的等轴状位错胞逐 渐转变为细条状的变形胞。 根据n i x 和g a o 的模型，特征长度 + 与硬度凰存在以下关系： 1 赤= c 1 日。 ( 5 6) 式中，c 1 是一个常数，它取决于压头的形状和材料的剪切模量 联合方程5 4 ，可以得到 与仉的线性关系： + 1 考专= o2 6 c l + 4 2 3 c l 仃， ( 5 7 ) + 为了弄清楚 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 来越微弱。进一步的分析表明，拟合硬度值凰和测量硬度值凰均 随纯铁样品拉伸屈服应力听的增加而呈线性增长；表明了硬度凰 并不依赖于压痕深度，仅仅通过拉伸屈服应力毋取决于统计存储位 错密度；而且，材料的特征长度 + 与拉伸屈服应力国之间存在线性 1 关系：聿l _ = 0 2 5 + 3 4 8 仃。实验和结果可有效地验证应变梯度塑性 五+ 。 模型的合理性。 今后的工作展望： 本论文关于表面改性对n i t i 合金微动性能影响的研究，发现表面改性能 够有效抑制微动过程n i t i 合金中镍离子析出，提高n i t i 合金的生物相容性。 同时，表面改性层的屏蔽作用减小了n 汀i 合金的弹性变形协调能力，扩展了 微动滑移区。另外，结合强度较高的表面改性层能有效地提高n i t i 合金的抗 腐蚀和微动磨损性能。但表面改性对n i t i 合金微动性能的影响是一个极其复 杂的课题，经过两年多研究，取得一些成绩，同时也发现在许多方面还值得 进一步深入研究，例如：不同温度下表面氧化改性可生成不同晶型的t i 0 2 ， 主要为金红石型( r u t i l e ) 和锐钛矿型( a n a t a s e ) ，晶型的不同对于表面氧化 改性后的n i t i 合金的抗微动磨损性能到底有何影响以及影响机制如何需要 更深入地研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 致谢 本论文是在导师钱林茂教授的严格要求和悉心指导下完成的，在此对钱 老师表示衷心感谢! 在摩擦所的两年多时间里，无论是在生活上还是科研过 程中，我一直得到了周仲荣教授的关心和帮助，使我深受感动，在此对周教 授表示由衷的感谢! 在两年多的科研过程中得到了摩擦学研究所的朱曼吴教授、陈光雄教授、 刘启跃教授、石心余高工、吴乐轩高工、郑靖副研究员、分析测试中心的屈 树新教授以及英国伯明翰大学h a l l s h a 】ld o n g 教授、x i l l h u aj u 博士的大力支 持与帮助，在此予以感谢! 同时，本论文部分工作也得到了蔡振兵、莫继良、 龚磊和张静宜等全体研究生的协助，在此也表示感谢! 衷心感谢我的家人和朋友对我的关心与支持! 特别是我的父母，几年来 正是在他们无私的支持与关怀下，我才能心无旁骛的完成研究。 此外，本论文的研究工作得到了国家自然科学基金项目( 5 0 3 0 5 0 2 9 ) 、霍 英东高等院校青年教育基金( 1 0 1 0 5 3 ) 、教育部新世纪优秀人才支持计划 ( n c e t _ 0 4 一0 8 8 7 ) 和四川省青年科学基金项目( 0 4 2 0 0 2 6 。0 0 4 ) 的资助，一 并感谢! 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 致谢 本论文是在导师钱林茂教授的严格要求和悉心指导下完成的，在此对钱 老师表示衷心感谢! 在摩擦所的两年多时间里，无论是在生活上还是科研过 程中，我一直得到了周仲荣教授的关心和帮助，使我深受感动，在此对周教 授表示由衷的感谢! 在两年多的科研过程中得到了摩擦学研究所的朱曼吴教授、陈光雄教授、 刘启跃教授、石心余高工、吴乐轩高工、郑靖副研究员、分析测试中心的屈 树新教授以及英国伯明翰大学h a l l s h a 】ld o n g 教授、x i l l h u aj u 博士的大力支 持与帮助，在此予以感谢! 同时，本论文部分工作也得到了蔡振兵、莫继良、 龚磊和张静宜等全体研究生的协助，在此也表示感谢! 衷心感谢我的家人和朋友对我的关心与支持! 特别是我的父母，几年来 正是在他们无私的支持与关怀下，我才能心无旁骛的完成研究。 此外，本论文的研究工作得到了国家自然科学基金项目( 5 0 3 0 5 0 2 9 ) 、霍 英东高等院校青年教育基金( 1 0 1 0 5 3 ) 、教育部新世纪优秀人才支持计划 ( n c e t _ 0 4 一0 8 8 7 ) 和四川省青年科学基金项目( 0 4 2 0 0 2 6 。0 0 4 ) 的资助，一 并感谢! 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 8 页 参考文献 1 0 t s u k ak ，w a y m a ncm ，s h 印em e m o r ym a t e r i a l s c a m b r i d g eu n i v e r s i t y p r e s s ，c 锄b r i d g e ，e n g l a n d ，19 9 8 ，2 7 4 8 2 g r e n i n g e rab ，m o o r a d i a nvgt r a i l s a i m e ，1 2 8 ，1 9 3 8 ，3 3 7 3 6 8 3 b u e h l e rw j ，w a n gfe ，0 c e a l le n g i n e e 曲g ，1 ，1 9 6 7 ，1 0 5 1 2 0 1 4 jd a m i l l e r t h e n n o o m e c h a i l i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fp l a s t i cd e f o h n a t i o na i l d t r a n s f o n 】嘎a t i o nf 缸i g u ei ns h a p em e m o r ya l l o y s ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r d e g r e eo f p h i l o s o p h y ，t e x a sa & m u n i v e r s i t y ，2 0 0 3 5 5 舟保久，熙康著形状记忆合金，机械工业出版社，北京，1 9 9 2 6 d e h o d g s o n ，m hw u ，r b i e n 锄s h 印em e m o r y “l o y s ，s h 印e m e m o r ya p p l i c a t i o n s ，i n c ，1 9 9 9 7 温诗铸，黎明主编机械学发展战略研究清华大学出版社，北京，2 0 0 3 8 杨汝清，桑子刚机器人形状记忆合金( s m a ) 驱动器及其控制探讨 机器人，19 9 0 ( 6 1 9 h k a l h ，m a h u f fa n da h h e u e r ，j m i c r o m e c hm i c r o e n g 8 ，2 1 3 2 2 1 ( 1 9 9 8 ) 10 、ml b e n a r d ，h k 址m ，a h h e u e r ，a n dm a h u f f j m i c r o e l e c t r o m e c h s y s t ，7 ( 2 ) ，2 4 5 2 5 1 ( 1 9 9 8 ) 1 1 m x u e ，w t j i a ，i np r o c e e d i n g so fi n t e m a t i o n a ls y m p o s i u mo ns h a p e m e m o r ya 1 l oy ，g u e l i n ，c h i n aa c a d e m i cp u b l i s h e r s ，1 9 8 6 ，4 1 1 4 1 5 1 2 r s a c h d e v a ，s f u k u y o ，k s 1 1 z u k i ，y o s h i d a ，s m i y a z a k i ，m a t e r i “s s c i e n c ef r o u m ，5 6 5 8 ，1 9 9 0 ，6 9 3 6 9 8 1 3 何惠明，国外医学：口腔医学分册1 9 9 4 ，2 1 ( 4 ) ，2 2 14 t w d u e r i g ，a r p e l t o n ，d s t o k e l ，b i o m e d i c a lm a t e r i a l sa n d e n g i n e e r i n 舀1 9 9 6 ，6 ，2 5 5 - 2 6 6 1 5 董纪元，卢世壁，继芳中华外科杂志1 9 9 3 ，3 1 ( 5 ) ，2 6 3 1 6 j d r u g a c z ，z l e k s t o n ，hm o r a w i e c ，k j a n u s z e w s k i ，j o r a l m a x i l l o f a c 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 0 页 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 s h i d ay ，s u g i m o t oy w a t e rj e te r o s i o nb e h a v i o ro ft i n ia l l o y w e a r ， 1 9 9 1 1 4 6 ：2 1 9 2 2 8 周仲荣，lv i n c e n t 微动磨损科学出版社，2 0 0 2 周仲荣，朱曼吴复合微动磨损上海交通大学出版社，2 0 0 4 l m q i a n ，q s u n ，z z h o u f r e t t i n gw e a rb e h a v i o ro fs u p e r e l a s t i cn i c k e l t i t a n i ms h 到釜蜘塞k 塞孙囊l ；鑫襄萋霎鼍i 强重鐾璧昌 ! 争畜i 蠼 嚣。婺”i 鐾震黼獭髫蓊氰籁鸶 蓉f ；i 萎翳萋薷鏊蠢姐艇鲢疆彗器 漾i 甄萋潮l 粪魏蛙；袤嚣蛾鞫画嚣燃蠹建墼茕塑谪鲺潮显魁羹襄舔埴耋荔瑟 堑羹弱。琵巍薹萄囊雾鞲蒌萎冀： ；雾嚣鬻黧整翁餮矍鬈拜蓊ki岿赶甄蓑错簦萤羹辫i鹾曩鐾葡嚣娃翦疆弱瑟郓 oo f t r a n s i t i o ni nt h ef r e t t i n gb e h a v i o ro fn i t is h a p e memory a l l o y 2 0 0 5lt a n ，w c c r o n e ，k sr i d l l a r a l l ，f r e t t i n gw e a r studyo fs u r f a c e m o d 强e d niti s h a p em e m o r y a 1 1 0 yj o u m a lo fm a t e r i a l s c i e n c e ：m a t e r i a l s i n medicine1 3 ( 2 0 0 2) 5 0 1 5 0 8l t a n ，w c c r o n e e f r e c t so fm e t h a n ep l a s m ai o n implantationo n t h e i i l i c r o s t m c t u r e a n dw e a rr e s i s t a n c eo fn 汀is h a p em e m o r ya l l o y s t h i ns o l i df i l n l s 472(2005) 2 8 2 2 9 0l t a l l ，r a d o d d ，、m c c r o n e c o r r o s i o na n d wearcorrosion b e h a v i o ro f n i t im o d i f i e d b yp l as m as o u r c ei o n i m p l a n t a t i o n b i o m a t e r i a l s 2 4 ( 2 0 0 3 )3 9 31 3 9 3 9l 1 缸，g s h a w ，k s r i d h a r a n ，w c c r o n e effectso fo x y g e ni o ni i n p l a n t ationo nw e 盯b e h a v i o ro fn i t is h a p em e m o r ya 1 1 0 ym e c h a n i c so fm a t e r i a ls 37(2005)10591068d s t a r o s v e t s ky i g o 恤a n c o r r o s i o nb e h a v i o ro f titaniumn i t r i d e c o a t e dn i - t i s ha p em e m o r y s 苫i c a l a 1 1 0 y ，b i o m a t e r i a l s ，2 2 ( 2 0 0 1 ) 1 8 5 3 - 1 8 5 9d s t a r os v e t s k y ，i g o t m a n t i nc o a t i n gi m p r o v e t h e coosionb e h a v i o r o f s u p e r e l a s t i cn i t is u r g i c a la 1 1 0y s l l r f a c ea n dc o a t i n g s t e c h n o l o g y 148(2001 )