低温等离子体表面心生对医用奥氏体不锈钢微动摩擦学性能的影响.pdf

西南交通大学硕士学位论文低温等离子体表面改性对医用奥氏体不锈钢微动摩擦学性能的影响姓名：刘静申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：钱林茂20100501西南交通大学硕士研究生学位论文第1II 页摘要医用奥氏体不锈钢基于其良好的耐腐蚀性、经济性和综合力学性能，且加工工艺简便，已被广泛应用于骨骼系统、齿科、心脏外科的置换和修复。然而，由于其硬度较低，耐磨性较差。另外，由于其金属离子可能析出进入人体组织液罩引发生物反应，严重时甚至会出现血栓栓塞、感染及肿瘤等现象，从而降低了其使用寿命。因此，为满足长期植入的功能要求，需要对其进行抗腐蚀微动磨损性能的综合改进。本文在液压伺服微动疲劳试验机上，采用球平面接触模式，在不同循环次数和位移幅值条件下，对表面改性前后的医用奥氏体不锈钢在模拟人体体液中进行了微动试验研究。结合金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、纳米压戈0 痕仪、台阶仪等对磨斑微观形貌和化学成分进行了测试分析。详细研究了三种不同的表面改性方法对3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能以及微动摩擦学性能的影响。进而通过不同位移幅值下的微动试验，研究此种表面改性方法对3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢基体的微动运行行为影响。同时，对A S T MF 2 5 8 1 医用无镍奥氏体不锈钢表面改性前后样品在模拟人体体液中进行摩擦磨损试验，结合光学显微镜和激光共聚焦显微镜对磨斑和磨损情况进行分析，进一步研究了表面改性对新型医用无镍奥氏体不锈钢摩擦学性能的影响。本论文研究取得的主要结论如下：1 4 3 0 渗氮、4 3 0 氮碳共渗与5 0 0。C 渗碳等表面改性均可在3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢表面形成扩展奥氏体相“S”相，明显地提高其硬度和弹性模量，也降低了弹性模量与硬度的比值(剧H)，这对提高3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢耐腐蚀磨损性能有显著的效果。研究表明，这三种表面改性工艺中，4 3 0 氮碳共渗是31 6 L V M 医用奥氏体不锈钢抗微动腐蚀磨损性能最佳的表面改性工艺。2 低温等离子体4 3 0 氮碳共渗可以有效地改善3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢的微动磨损性能。一方面，该表面改性工艺可以改变奥氏体不锈钢的微动分区，将混合区与部分滑移区移动到一个相对较小的位移幅值范围内。另一方面，未改性样品磨损后损伤比较严重，混合区有较大裂纹的出现且不断向心部扩展；而改性后样品的损伤轻微，混合区未出现裂纹，摩擦系数相对于基体有所降低。3 低温等离子体5 0 0。C 渗碳能在A S T MF 2 5 8 1 新型医用无镍奥氏体不锈钢上形成无沉淀扩展奥氏体相碳“S”相。经过对表面改性前后样品在模拟人体体液中进行摩擦磨损试验的分析，得出此种医用奥氏体不锈钢在表面渗碳后摩擦系数有所降低，摩擦磨损性能得到显著的改善。关键词：表面改性；等离子体；微动腐蚀磨损；奥氏体不锈钢西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页曼曼曼寰皇曼曼曼皇曼曼舅皇曼曼曼曼曼!皇曼曼曼鼍曼_mm_lmi：。鼍曼曼曼曼曼曼皇鼍鼍曼A b s t r a c tB a s e do nt h e i rl o wc o s ta n dp r o p e rm e c h a n i c a lb e h a v i o u r,a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l sh a v eb e e nw i d e l yu s e dm e d i c a ld e v i c e sa n ds u r g i c a lt o o l s H o w e v e r,m e i rl o ww e a rr e s i s t a n c ea n dt h es u s c e p t i b i l i t yt op i t t i n gc o r r o s i o ni nb o d yf l u i d sh a v el i m i t e dt h e i rw i d e ra p p l i c a t i o n si nt h em e d i c a li n d u s t r y T h e r e f o r e，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o ps u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d st oi m p r o v et h ew e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l B yu s i n gas e r v o-h y d r a u l i cd y n a m i ct e s tm a c h i n e，t h ef r e t t i n gb e h a v i o u rb o t ha s r e c e i v e da n ds u r f a c et r e a t e d316 L V Mp l a t es a m p l e sa g a i n s tm a r t e n s i t es t a i n l e s ss t e e lb a l l sw a ss t u d i e di nt h eR i n g e r Ss o l u t i o na tv a r i o u sd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s V a r i o u se x a m i n a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y,e n e r g yd i s p e r s i v eX-r a y,N a n o H a r d n e s s S c r a t c hT e s t e ra n ds t y l u sp r o f i l o m e t e rt ot e s tt h ea n t i-c o r r o s i o np r o p e r t i e sa n dt h em i c r ot o p o g r a p h yo ft h ew e a rs c a r so nt h es a m p l e s E f f e c to fs u r f a c em o d i f i c a t i o no nt h ea n t i c o r r o s i o np r o p e r t ya n dt h ef r e t t i n gb e h a v i o u ro f316 L V Mm e d i c a lg r a d ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lW a sd i s c u s s e d F i n a l l y,t h ef r e t t i n gb e h a v i o ro fs u r f a c et r e a t m e n tn e wN i-f r e em e d i c a lg r a d ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lW a si n v e s t i g a t e d T h em a i nc o n c l u s i o n sC a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s：1 L o w-t e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b u r i s i n ga t5 0 0。C，c a r b o n i t r i d i n ga t4 3 0。Ca n dn i t r i d i n ga t4 3 0 c o u l dc r e a t eal a y e ro f“Sp h a s e o nt h es a m p l es u r f a c e，w h i c hd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h eh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so fs u b s t r a t e E v e nt h o u g ha l lt h es u r f a c et r e a t m e n t sC a ne n h a n c et h ea n t i c o r r o s i o na n da n t i w e a rp r o p e r t i e so f316 L V Ms t a i n l e s ss t e e lt os o m ee x t e n d，t h el o w-t e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b o n i t r i d e da t4 3 0*(2w a sf o u n dt ob et h eb e s ts u r f a c et r e a t m e n tm e t h o do ft h r e ea g a i n s tt h ef r e t t i n gw e a ro fm e d i c a lg r a d e3l6 L、，Mm e d i c a lg r a d ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s 2 T h es u r f a c et r e a t m e n tr e v e a l e das t r o n ge f f e c to nt h ef r e t t i n gb e h a v i o u ro ft h e316 L V Ms t a i n l e s ss t e e l si nt e r m so fc h a n g e si nt h es h a p eo ft h ec u r v e so ft h et a n g e n t i a lf o r c e(只)v e r s u sd i s p l a c e m e n t(田，t h ef r e t t i n gr e g i m e sa n dt h ed a m a g em e c h a n i s m si n v o l v e d T h eg r o s ss l i ps t a r t e da ts m a l l e rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ef o rt h es u r f a c e t r e a t e d316 L V Ms a m p l e st h a nf o rt h eu n t r e a t e do n e S o m ec r a c k sw e r eo b s e r v e di nm i x e dr e g i m eo nu n t r e a t e d316 L V Ma u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l H o w e v e r,o n l ys l i g h tw e 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t t i n gc o r r o s i o nw e a r；A u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密函使用本授权书。学位论文作者签名：麦0 撸同期：肋加-三指刷币繇破饵羲F t 期：2 o o 6,Z西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页-,-I,：,-：II鼍曼舅西南交通大学学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1 对3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢进行低温等离子体表面改性，结合各种摩擦学的分析方法研究其摩擦磨损性能，力求找出最优的表面改性方法。体现在第3 章。2 对基体及表面改性样品进行系统的微动摩擦学实验和磨损性能分析，研究了31 6 L V M 医用奥氏体不锈钢低温等离子体表面处理后的微动运行行为。体现在第4 童。3 基于前期研究结果，对A S T MF 2 5 8 1 医用无镍奥氏体不锈钢表面渗碳前后样品进行微动摩擦学实验，研究该表面改性工艺对新型医用无镍奥氏体不锈钢的摩擦学性能的影响。体现在第5 章。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：友J 耨日期：加加占-2-西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼!曼曼曼曼曼曼兰!nm n 曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓1 1 不锈钢的研究历史第1 章绪论从1 9 0 0 一1 9 1 5 年，在世界上先后出现了三大类不锈钢，并陆续投入工业生产【l】。早在1 9 1 2 年前，英国的哈里布雷利首先认识到含铬的铁基合金具有优良的耐腐蚀性能，他首先指出利用这种性能可以制造出“不生锈”的刀具，并企图解决步枪枪管的腐蚀和生锈问题。人们后来将铁素体组织的F e C r 合金称为“不锈钢”。于1 9 世纪2 0 年代初，英国科学家法拉第所发明创造，即为不锈钢诞生的第一步，这是一种在铁中加入数百分比的铬元素，以提升铁的耐蚀性及不易生锈的合成钢。然而，“不锈钢”的实用化是在其后数十年，再经众多科学家的种种研究改良后，才形成现今的不锈钢。1 9 2 1 年埃德瓦德莫勒在实验室中注意到一些有贝诺斯特劳思所制造的合金在酸雾中暴露数月也不受腐蚀。他根据以往的F e C r-N i 合金的冶金学试验，设计了一种用水淬的退火热处理工艺，使大量的碳化铬在固溶体中沉淀，使合金成为可塑性加工的材料。1 9 2 5-一1 9 3 5 年间，铁素体不锈钢(1 7 C r)和奥氏体不锈钢(1 8 C r-8 N i)两者在英、美、德的氨厂和硝酸厂都得到大规模的使用。但是最终奥氏体合金的产量大大超过了铁素体合金的产量，近年来在美国要多l 2 倍。1 9 3 0 年埃文斯用简单的电化学方法直接证实了保护膜的存在，该方法能从钝化表面剥离出保护膜，从而可在显微镜下进行观察。至今，大量的研究和发展工作仍然集中在奥氏体不锈钢种方面。但进十年来，在铁素体不锈钢新钢种的发展和商品化方面，又重新活跃起来【2 1。2 0 世纪8 0 年代，在主要产钢国家中，不锈钢的产量己超过钢总产量的1、总产值的8；2 0 世纪9 0 年代以后，世界上不锈钢年产量已达到1 1 5 0 万吨，约占全世界钢产量的1 5；在经济上占有一定的地位【lJ。不锈钢材料因为具有良好的力学性能和物理化学性能，在机械、轻工、建筑、医疗、家庭耐用消费品等领域得到了广泛的应用，但在某些特定条件下不锈钢易发生点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、开裂和腐蚀疲劳等局部腐蚀破坏现象。因此，许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究，最引人注目的是不锈钢表面的钝化、着色、抛光和电镀等处理，以增加不锈钢的耐蚀性或装饰性。但在工程中，有时又提出了表面耐磨的要求，还有些工程对象不仅要求耐磨，对耐蚀性又提出更高的要求。一些特殊不锈钢器件要求表面具有耐磨损腐蚀复合性能以及生物相容性等性能。因此，采用不锈钢表面改性方法制备超级不锈钢表面，成为国内外表面工程共同努力的方向【3 J。许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究。发展至今有常规的表面处理技术，如抛光、电镀、化学镀、热渗镀、物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入等工艺【4 刮；等离子体西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页化学热处理技术如渗氮、渗碳、离子软氮化及离子渗金属及非金属等技术叼。关于离子化学热处理的机理，目前公认观点大致有以下几种：溅射与沉积理论；分子离子理论；中性氮原子模型；活性氮原子碰撞离析理论 8。1。1 2 奥氏体不锈钢的特性及应用1 2 1 奥氏体不锈钢的特性奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种(约占整个不锈钢产量的6 5 7 0)。最常用的奥氏体不锈钢有：F e C r-N i 系合金(即美国的A I S I3 0 0 系)；F e C r-N i M n 系(即美国A I S I2 0 0 系)；特殊奥氏体不锈钢等三种【1 2】。不锈钢与铁的最大不同点，即不锈钢具有优良的耐蚀性，即不易生锈性，是因为其含有铬、镍等成分，铬元素与空气中氧结合后强化金属表面并形成绵密不氧化皮膜(称为氧化皮膜)。此皮膜不仅可防止氧化作用，而且可起到保护表面各种腐蚀的作用，而镍钼则起改善并强化此不氧化皮膜的作用。因此，一般上以含有铬、镍、钼等的多少来决定不锈钢的耐蚀性。奥氏体不锈钢与C o C r、钛合金相比，其具有价格便宜，易抛光和易成型的优点。最近发现的低温等离子体表面渗氮、渗碳处理工艺能使奥氏体不锈钢的表面产生“S 相”，此种“S 相 是一种单相组织，未出现氮化物、碳化物沉淀，即为氮、碳的过饱和固溶体，其点阵常数比奥氏体基体大得多，引起奥氏体晶格发生畸变进而使渗层的硬度和耐磨。1+工4-台月匕v,都有较大幅度的提高【l3 1。经过离子化学热处理后的奥氏体不锈钢的表面硬度可以高达9 0 0 H V 以上【1 4 J。1 2 2 奥氏体不锈钢的应用奥氏体不锈钢因具有优良的综合性能和能修复受损表面而作为生物材料得到广泛应用，它可用于矫正生物植入器件，骨头固定装置和心脏血管装置，骨骼系统的置换和修复方面，此外在齿科、心脏外科、心血管植入支架等方面也得到应用【I5 1。不锈钢植入物的产品范围包括生产临时性的和永久性的整形外科植入物，骨折处理系统，冠状动脉(静脉)止血器具等各种产品形式。更广泛的产品范围还包括不锈钢带、不锈钢丝和不锈钢管，用以制造外科手术工具和其它医疗设备。这种不锈钢是含钼不锈钢，能满足医用和植入物用材料所有现行标准的要求。其具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多、最广的一类材料。临床广泛使用的3 1 6 L不锈钢与一般金属材料相比，具有耐腐蚀性和较好的血液相容性。是现在使用最多最广的医用会属材料，有着丰富的临床使用经验，在今后相当长的时I 日J 里，其他医用金属材西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页料是无法替代的l l6 j。另外，奥氏体不锈钢因为具有良好的力学性能、耐蚀性、物理化学性及经济性等综合优点，不仅在石油、化工、食品等行业得到应用，而且在机械、轻工、建筑、家庭耐用消费品等领域也得到了广泛的应用。奥氏体不锈钢因为具有极强的抗氧化性能，在化学工业中用它来储存硫酸、硝酸、盐酸等等酸性物质；在无机化学工业中，用它来做食盐制造装置，近十几年来由于要求提高食盐浓缩结晶过程的效率及食盐制造方法的进步，预热器、浓缩结晶罐等设备多采用铜合金和高M o 奥氏体不锈钢，而离子分离器、加压鼓风机、泵等部件可使用31 6 L 不锈钢，食盐干燥的液化容器也可用奥氏体不锈钢；在造纸和纸浆工业中使用3 1 6 L 来做亚硫酸纸浆制造装置；在肥料、食品工业中也可用它作为储备材料。奥氏体不锈钢以其优异的性能，随着制造技术的不断进步，加之对其研究的不断深入，应用技术的逐渐成熟，在各行各业中的应用会越来越广泛【l2 1。1 3 微动摩擦学的基本概念摩擦学(t r i b o l o g y)-词最早是1 9 6 6 年J o s t 在一个报告中提出的，它是来源于古希腊词“t r i b o s”，是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术【l7 1。是分析和解决装备中磨损、可靠性、维修等问题的一门学问，涉及到的领域大到太空船，小到家用设备，具有重大的经济意义。它既是以自然界中普遍存在的摩擦、磨损和润滑现象作为主要研究对象的一门涉及面很广的基础学科，也是以节约资源，保护生态环境，提高人类生命质量为主要研究目标的-f-j 实用性很强的应用学科。凡是有相对运动的接触界面就存在摩擦与磨损，由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列问题普遍存在，并对社会、经济的发展产生了巨大影响1 1 8,1 9 。国外统计资料表明【2 0】：摩擦消耗掉全世界1 3 的一次性能源，约8 0 的机器零部件都是因磨损而失效，5 0 以上的机械装备的恶性事故都源于润滑失效和过度磨损。美、英、德等工业国家每年因摩擦、磨损造成的损失约占其国民生产总值的2 7，而在工业中应用摩擦学知识可节约的费用约占国民生产总值的1 0 1 4。中国工程院咨询项目摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究的调研结果揭示【2 I】：2 0 0 6 年我国因摩擦、磨损而导致的损失约高达9 5 0 0 亿元，而应用摩擦学的知识和研究成果至少可节约3 2 7 0亿元。该项目选取了冶会、能源化工、铁道机车、汽车、航空航天、船舶、军事装备和农业装备等8 个有代表性的工业行业作为调查对象，开展调查研究。1 3 1 微动运行模式在实际工况中微动现象对应的微动接触状态是非常复杂的，为了便于研究，通常按球平面模式将微动接触状态进行简化。根据接触体间相对运动方式的不同，可将球西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页平面模式简化为四种基本运行模式【勿，即：(a)切向式微动，这是一种最普遍的微动模式，球与平面的相对运动方向在它们的接触面上；m)径向式微动，球与平面的相对运动与它们的接触面垂直；(c)转动式微动，对磨副球围绕其平行于球与平面的接触面的中轴线来回旋转；(d)扭动式微动，对磨副球围绕其垂直于球与平面的接触面的中轴线来回旋转。后面三种微动形式在工业中也经常出现。另外，综合两种以上基本微动模式或者上述微动模式与其他运动(如冲击)相结合的复合式微动的研究也有报道【2 2 1，问题的复杂性却大大增加，导致研究工作相当少。但是最近几年来西南交通大学朱曼吴教授的课题组在不断探索研究复合式微动磨损，也取得了很大的进步。1 3 2 微动的分类在微动摩擦学领域，将微动分为三类，即：(1)微动磨损(F r e t t i n gw e a r)：通常指接触表面的相对位移由接触副外界振动引起的微动，接触副只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力。(2)微动疲劳(F r e t t i n gf a t i g u e)：是指接触表面的相对位移由一接触副承受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动。(3)微动腐蚀(F r e t t i n gc o r r o s i o n)：是指在电解质或其他腐蚀性质介质(如海水、酸雨、腐蚀性气氛等)中发生的微动。微动过程都有腐蚀发生，但这时腐蚀作用占优势。1 3 3 影响微动的最关键因素影响微动的因素很多，但多种因素不是简单的叠加，而是相互影响 1 82 3 1。(1)振幅：振幅是微动的关键参数，一直受到研究者的重视。一般来说，微动振幅较小时，表现出较低的微动磨损率；在微动振幅较大时，磨屑容易从接触区排出，材料间接触面增大，因此有较高的磨损率。(2)载荷：法相载荷的增大使接触表面的弹性变形增加、微动相对滑移量减小。对于在交变应力下的构件，产生微动疲劳裂纹的倾向较大，甚至在较低的交变应力下就会有裂纹的产生。(3)频率：频率与位移幅值存在一定的关系，由于机械部分的限制，随着频率的增加，可实现的位移幅值减小。若根据一定的循环次数来评价损伤，则频率越低，损伤越大。化学因素、形变率、界面磨屑流动行为等均受到频率的影响。例如，化学过程与时间有关，频率越低，每次循环中再生氧化膜有足够时问修复，再生氧化膜越厚，每次除去的材料也越多。(4)循环次数：当振幅、频率、载荷等参数固定时，钢的磨损量与循环次数成线性关系，即磨损速率恒定。但在微动开始时有一磨损率迅速增加的阶段，这类似滑动磨损中的跑合，实质上是粘着与磨屑的发生和增长阶段。跑合阶段除与材料有关，也与微动西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页条件有关，条件指标增加，产生磨屑的速度加快，跑合阶段缩短，反之亦然。在极轻微的试验条件下，微动开始时，还可观察到一段所谓“潜伏期”，在潜伏期中，材料完全不受磨损，有的潜伏期可达1 0 4 次循环以上，它实际上是金属表面的原始氧化膜破裂之前的阶段。1 3 4 微动图理论1 9 8 8 年，V i n g s b o 等【2 4】最先在进行大量的文献调研和微动试验的基础上提出微动图的概念，根据不同微动参数下接触表面表现出微动损伤特征的不同，将微动划分为三个工况，即粘着、粘滑和滑移。可是，他对微动区域的划分仅仅取决于微动试验观察到的现象，缺乏从整个微动过程中接触表面磨擦力位移曲线的动态变化进行综合考虑：其次是对微动损伤机理的分析也很不明确。Z h o u 和V m c e n t 2 5 墙1 等人在针对不同材料和大量参数进行微动试验的基础上提出了两类微动图理论，丰富和发展了微动图理论，为从本质上去揭示材料微动运行机理和损伤规律提供了一种有效的工具。(1)运行工况图：接触表面间的摩擦力位移的变化曲线(F r D 曲线)是反映微动最基本和最重要的信息，每次往复微动循环都对应一组F r D 曲线，组合整个微动循环过程，即可以描述微动过程的动态变化。通过大量的微动试验表明，可将F c-,D 曲线归纳为三种基本曲线，如图1 2 所示。封闭型(图1-2(a)：F c-D 曲线呈直线状，摩擦力随位移线性增加，通常出现在高载荷或小位移的情况。在接触边缘发生微滑，接触中心处于粘着，接触表面间不发生相对滑动，即处于部分滑移区状态，完全符合M i n d l i n 理论【2 9 1。张开型(图1 2(b)：F c-,D 曲线呈平行四边形，通常出现在大位移或小载荷时，接触表面间发生较大的相对滑动，微动处于完全滑移状态。半闭合型(图1-2(c)：F c-D 曲线呈椭圆状，通常发生在中等位移幅值，接触表面间除发生弹性变形外，常常伴随强烈的塑性变形甚至伴随着裂纹在产生，微动运行于混合区。R一一I jD(a)无论何种试验工况，n 1I，IF t|一厂L-D(b)图1-2 二种基本F t-D 曲线 3 0】微动的运行总是处于上述三个区域之一，(c)在较小位移幅值或较西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页大法向裁荷下，微动过程处于部分滑移区；反之，整个微动过程处于完全滑移区：混合区介于I i；f 二者之间实验证明混合区的人小与材料的塑性变形密切相关。对于同种材料，通过改变法向载荷和位移，可以获得不同微动区域。山此得出第一类微动幽(即运行工况微动图)，如图l 一3(a)和(b)。a)三薯=曩运行工况微动图b一三2 0 Q他穆枇价，u m幽1-3 逆行】况微动幽”(2)材料响应微动目：微动损伤主要表现为两种形式，即微动引起的磨损和微动引起的疲劳。通过对微动斑的表面和剖碰显微分析对应于运行工犹微动图，可以进一步得到健循环次数后相应微动区域内的破坏情况(如图1-4(对和(b)所示)。总体沫税，部分滑移区主要以表面弹性变形协调为主，产生的磨屑很少，即使在稳定状态仍以两体磨损为主。其表面损伤轻微，通常只出现在接触边缘，在接触中央区只有砦微凸体发生微小的塑性变形，不易观测到明显的表面破坏；混合区不仅有程度较轻的接触磨损而且通常观察裂纹的存在，同接触表面受到较人的变变应力作用(局部疲劳)表层塑性变形强烈。滑移【i 蕾要发生颗粒脱落引起的表面磨损较为严重，磨痕表面积聚较多的磨瞒或i l：现较深的麻坑，较大程度的降低了裂纹棱形成的可能。(a 1兰王i主鬟O材料响应微动图(b善”二z 们似社粕仇“m豳I-4 科科响应徽动削J从材料响应微动图可以发现：材料磨损主要位于微动的滑移区存部分卅移K 的微动破坏比较轻微：裂纹首先在混合区萌生。并向滑移区和部分滑移区迅速扩展因此混合区是微动裂纹起源和扩展最危险的区域。爵尊紫西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页曼曼曼曼舅曼曼窒皇曼曼曼曼曼I 一一一一一一一iI 二一iI 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼试验证明，材料响应微动图不同于运行工况微动图，它与微动循环次数密切相关，裂纹区随着循环次数的增加向磨损区和轻微损伤区扩展，后者尤其显著。1 3 5 摩擦学的重要意义对于由滑动和滚动表面构成的现代机械而言，摩擦学是非常重要的。利用摩擦的机械有制动闸、离合器螺栓螺母等。据估计，美国因摩擦造成的损失占国民生产总值的4 左右，1 9 6 6 年的统计数据为2 0 0 0 亿美元【1 7】，这个数据相当惊人。目前，世界三分之一的总能量被各种形式的摩擦所消耗。因此，减少摩擦和控制磨损的重要性不可怠慢。按照J o s t 3 2，3 3 1 的论述，通过摩擦学研究及其合理实践，将节约一个工业化国家1 的国民生产总值。因此，研究摩擦学的目的是减少或消除表面摩擦磨损所造成的损失，提高生产效率，改善产品质量，节约资源。摩擦学不仅对工业设备有着重要意义，也影响着人们的同常生活，如书写工具、交通运输、体育运动等都与摩擦有着直接的联系，它还影响着人们日常生活质量问题。因此，我们在同常生活中要学好摩擦方面的知识，要重视摩擦的存在，更要利用好摩擦为我们服务。1 4 国内外不锈钢摩擦学性能的研究现状1 4 1 腐蚀磨损腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。腐蚀环境会为摩擦表面发生化学腐蚀提供必要的传导介质，而因摩擦的存在，它会改变滑动表面之间的化学反应动力。在气态或液态环境中通常高温下才能发生的腐蚀，如果有相对滑动存在时就会在中温或者常温下就会发生腐蚀。腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的经济损失。腐蚀和磨损是危害工业生产的严重问题。金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。据估计，世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值3 5 4 2，超过每年各项大灾(火灾、风灾及地震等)损失的总和。对磨损、腐蚀造成零件失效的研究表明，这些失效大都发生在材料表面。运用表面工程的技术手段对材料表面进行处理，改善材料的表面性能，会有效地延长零件使用寿命，因此，表面工程在工业中具有重要地位。为此，B u h a g i a r t 3 4】等人的研究表明低温等离子体表面改性可以在奥氏体不锈钢表面西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页形成层“S”相，大幅度提高奥氏体不锈钢的硬度，进而提高其抗腐蚀磨损性能。S a r a v a n a n ”】等人报道了在三种不同的温度(2 5 0、3 8 0、5 0 0。C)下对3 1 6 L V M 医用奥氏体不锈钢进行低温等离子体渗氮后的耐腐蚀研究，结果表明低温等离子体渗氮处理均可以在表面形成混合氮离子和扩展奥氏体相，显微硬度试验表明了此表面处理提高了3 1 6 L V M 的硬度，当在3 5 的N a C l 溶液中静置3 个小时后其耐蚀性能也明显得到提高，而且还得出样品的耐磨性能和耐腐蚀性能随着表面处理温度的增加而增加。张宁【3 6】等人研究指出3 1 6 L 在离子注入过程中发生了晶粒细化并且形成过饱和固溶体，产生固溶强化和弥散强化的作用，提高了表面的显微硬度。而硬度的增加会导致摩擦系数的下降【3 7 1。从而提高了其耐磨性能；而离子注入T i 6 A 1 4 V 合金使得注入层中成非晶态高浓度氮的单相Y 固溶体，有助于形成初次膜及以后的含钛钝化膜，增加引起点蚀的有效电压从而提高其抗电化学腐蚀性能。N o s e i 3 8】的研究指出短时间(3 0 分钟)的等离子体渗氮处理可以产生氮S 相或者扩展奥氏体相，深层深度在5 1 t m 左右，微观硬度为1 3 0 0 1 4 0 0 H V o 0 2 5，是未处理样品硬度的6 5 倍。如果延长处理时间(6 小时)将导致离子和氮化铬的析出，而且腐蚀后表面出现严重的损伤。试验得出材料的抗腐蚀能力取决于渗氮时间。渗氮处理半个小时具有更好的耐蚀性能。S h a h r y a r i t 3 9】等人指出3 1 6 L V M 可以在硝酸钠电解液中形成一层薄膜，该膜在模拟体液中具有很好的耐腐蚀性能。雷明凯m】等人的研究表明等离子体源离子渗氮1 C r l 8 N i 9 T i，A I S l 3 1 6 奥氏体不锈钢获得的硬度较原始材料增加了近十倍，耐磨性显著提高，同时渗氮改性层表现出优异的耐孔蚀性能和耐均匀腐蚀性能。L i 4 l】的研究表明用活性屏离子对3 1 6 奥氏体不锈钢进行4 2 0 渗