（轮机工程专业论文）镍钛形状记忆合金冲蚀性能的研究.pdf

摘要 我国大部分河流含沙量大，水轮机过流部件受到严重的冲蚀磨损。为解决水 轮机过流部件冲蚀磨损问题，采用n i t i 涂层是可行的方案之一。本文模拟水轮机 过流部件工作环境，以水轮机过流部件常用材料1 c r l 8 n i 9 t i 为对比，重点研究了 经不同条件热处理的n i t i 合金丝及n i t i 合金堆焊涂层的冲蚀磨损性能。 采用自制的浆罐式砂水冲蚀磨损试验装置研究n i t i 合金丝及其涂层的冲蚀磨 损性能。研究发现，4 种经不同条件热处理的n i t i 合会与1 c r l8 n i 9 t i 的冲蚀磨损 量随着冲蚀时问、冲蚀速度、砂水比及砂粒度的增大而增大。热处理对n i t i 合金 的冲蚀磨损性能影响不大，4 种n i t i 合金的冲蚀磨损性能相近，相比较而言，5 0 0 中温热处理试样表现出较好的冲蚀磨损性能，4 种n i t i 合金的冲蚀性能均明显 优于1 c r l 8 n i 9 t i 的冲蚀性能。 采用m h 6 型显微硬度计测量5 种试样显微硬度，采用x l 一3 0 型扫描电子显 微镜观察压痕形貌及冲蚀磨损后试样的表面形貌。n i t i 合金压痕呈星形， 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢压痕呈方形，表明n i t i 合金具有很好的弹性恢复能力。合会丝 试样中部为变形磨损，侧面为微切削磨损，表现为典型的韧性材料冲蚀磨损特性。 采用自制的拉伸试验装置测量了4 种n i t i 合金丝及1 c r l 8 n i 9 t i 合金丝的力学 性能随加载速度、阶梯加载及机械循环的变化情况。试验结果表明，n i t i l 的超 弹性可达1 0 左右，n i t i 2 、n i t i 3 及n i t i 4 具有很好的塑性变形能力，最大变 形量可达6 0 8 0 。经机械循环后，n i t i 一2 、n i t i 3 及n i t i 一4 的线性超弹性分别为 4 5 、5 5 、3 5 。n i t i 一3 的冲蚀性能优于n i t i 1 ，可见，不仅是超弹态的n i t i 合金具有机敏的摩擦学特性，热处理后处于超塑性状态的n i t i 合金同样具有优良 的冲蚀性能和机敏摩擦学特性。 超弹性、超塑性、马氏体变体的自适应性及择优取向、耐疲劳性及加工硬化 性能在不同的条件及受力阶段，均对提高n i t i 合金的冲蚀性能起很大作用。 n i t i 合金堆焊涂层具有很好的冲蚀磨损性能，其冲蚀磨损量仅为 c r l 8 n i 9 t i 涂层的1 3 左右。 关键词：n i t i 合金：热处理；砂水冲蚀；超弹性和超塑性；堆焊 r e s e a r c ho nt h ee r o s i v ep r o p e r t i e so fn i t is h a p em e m o r ya l l o y a b s t r a c t s o m ec o m p o n e n t so fw a t e rt u r b i n ef a l lu n d e rs e r i o u se r o s i o nb e c a u s eo fb i gm a s s p e r c e n t so fs a n di nt h er i v e ro fo u rn a t i o n u s i n gn i t iw e l dc o a t i n gt op r o t e c tt h e c o m p o n e n t si sav i a b l ew a yt os o l v et h ep r o b l e m 4n i t ia l l o y sw i t hd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n tp r o g r a ma n dn i t ic o a t i n g se r o s i v ep r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e dc o m p a r i n g w i t hl c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e li nt h es i m i l a re n v i r o n m e n t so f w a t e rt u r b i n e n i t ia l l o y sa n dc o a t i n g se r o s i v ep r o p e r t i e sw e r et e s t e du s i n gas l u r r yp o tt h a ti s s e l f - m a d e f o u rn i t ia l l o y sa n d1 c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l se r o s i v ev o l u m el o s s i n c r e a s ew i t he r o s i v et i m e 、e r o s i v ev e l o c i t y 、m a s sr a t i oo fs a n dt ow a t e ra n ds a n ds i z e i ti sf o u n dt h a th e a tt r e a t m e n tc a n n o ti n f l u e n c et h ee r o s i v ep r o p e r t i e so f n i t ia l l o y st o o m u c h ，5 0 0 。cm i d - t e m p e r a t u r eh e a tt r e a t m e n ts a m p l eh a v eb e t t e re r o s i v ep r o p e r t i e si n c o m p a r i n ga n da l lt h en i t ia l l o y sa r eb e t t e rt h a n1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lo b v i o u s l y f i v e s a m p l e sm i c r o h a r d n e s s w e r et e s t e dw i t ht h em h - 6t e s t e r ，t h e nt h e m o r p h o l o g i e so fi n d e n t a t i o na n de r o s i v es u r f a c ew e r eo b s e r v e db yx 1 - 3 0s e m t h e i n d e n t a t i o ns h a p eo fn i t ia l l o y sl i k eas t a r ，w h i l et h e1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e li s s q u a r e ，w h i c hs h o wt h a tt h en i t ia l l o y sh a v eb e r e rr e c o v e ra b i l i t i e s t h es u r f a c e m o r p h o l o g i e se x h i b i td e f o r m a t i o nw e a ri n t h em i d d l em a dm i c r oc u n i n gw e a ri nt h e s i d e s w h i c hi n d i c a t et h a ta l l 也es a m p l e se x h i b i td u c t i l em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h e e r o s i o n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i t ia l l o y sa n di c r lg n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lw e r e t e s t e dc h a n g i n gw i t ht h el o a d i n gs p e e d 、s t e p l o a da n dm e c h a n i c a lc y c l i n g t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es u p e r e l a s t i c i t yo fn i t i 一1 c a nr e a c h1 0 a n dt h e s u p e r p l a s t i c i t yo fn i t i 一2 、n i t i 一3a n dn i t i 一4i sg o o de n o u g ht o6 0 8 0 t h el i n e r s u p e r e l a s t i c i t yo fn i t i - 2 、n i t i - 3a n dn i t i 一4c a l lr e a c h4 5 、5 5 、3 - 5 a f t e r c y c l i n g i ti sf o u n d t h a tn i t i 一3 se r o s i v ep r o p e r t yi sb e t t e rt h a nn i t i 一1 ，t h ec o n c l u s i o n c a nb ed r a w nt h a tn o to n l yt h ep s e u d o e l a s t i cn i t i h a v et h es m a r tt r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sb u ta l s ot h ep s e u d o p l a s t i cn i t iw i t hh e a tt r e a t m e n t 1 i a l lt h es t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o na n ds u p e r e l a s t i c i t yo f n i t ip a r e n t p h a s e ，v a r i a n t sa c c o m m o d a t i o na n ds u p e r p l a s t i c i t y o fn i t im a r t e n s i t e ，f a t i g u e r e s i s t a n c e w o r kh a r d e n i n go fn i t ia l l o y sm a k ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n st ot h es l u r r y e r o s i o nr e s i s t a n c eo f n i t ia l l o y s n i t ic o a t i n gh a sg o o de r o s i v ep r o p e r t i e s ，t h ee r o s i v ev o l u m el o s so fw h i c hi so n l y t h i r do f1 c r l 8 n i 9 t ic o a t i n g k e yw o r d s ：n i t ia l l o y ；h e a tt r e a t m e n t ；s l u r r ye r o s i o n ；s u p e r e l a s t i e i t ya n d s u p e r p l a s t i c i t y ；w e l d i n g 1 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ! ：堡丛型丛蛩睦金垒、冲蚀壁篚的蛆窒：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公，i ：发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：季御忡年? 月咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家育关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：毒叶导师签名句孵论文作者签名：争咿呻导师签名句糸欠笋 日蒯：“年月仃同。 第一章绪论 1 1 形状记忆合金综述 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简称s m a ) 是近年来发展的一种新型功 能材料，由于其奇特的性能，潜在的应用价值日益引起世界各国学者和工程技术 人员的兴趣。 1 1 1 形状记忆合金的发现 人类发现形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ，简称s m e ) 最早可追溯到1 9 3 2 年( ) l a n d e r 在a u c d 合金中发现的类橡皮效应( r u b b e r 1 i k eb e h a v i o r ) ，1 9 5 1 年 l c z h a n g 和t a r e a d 在a u c d 合金单晶中发现试样的表面浮凸随其发生单界面 马氏体可逆相变而呈现可逆变化的现象。1 9 5 3 年，m w b u r k h a r t 和t a r e a d 在 l n t l 合金中观察到由热弹性马氏体相变引起的形状i 己忆效应。然而，这些现象的 发现在当时还没有引起人们的足够重视。直到1 9 6 3 年，美国海军军械实验室 w j b u e h l e r 博士等人在近等原予比n i t i 合金中偶然发现了形状记忆效应以后， 才引起人们的广泛兴趣1 1 i 。此后，人们陆续在c u z n 、c u a 1 n i 及c u s n 等多种合 金中均发现形状记忆效应，到目前为止，已发现几十种具有形状记忆功能的合金。 1 1 2 形状记忆合金的分类 经过广泛研究，到目前为止，- g g n h x i g 忆效应的合金可归纳为以下几类【2 】= ( 1 ) n i t i 系，包括等原予n i - t i ，n i t i x ( x = f e 、a 1 、c o ) ； ( 2 ) 铜系，包括c u z n 系，如c u - z n 、c u - z n - x ( x = s i 、a i 、s n ) ；c u - a 1 系，如c u a 1 2 、 c u a 1 - n i ； ( 3 ) 其他有色金属系，如c o - n i 、n i - n b 、a u - c u z n 、a u - c d 、a g c d 、i n - t i 等； f 4 1 铁基合金，如f e p t 、f e n i c o 、f e m n - s i 、f e n i c o t i 、f e - m n c 及不锈钢等。 1 13 形状记忆合金的应用 虽然目前已发现的形状记忆合金有几十种，但在实际中得到应用的形状记忆 合金主要有 致经历了n 和铁基合金 第一章绪论 1 1 形状记忆台金综述 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简称s m a ) 是近年来发展的一种新型功 能材料r 由于其奇特的性能，潜在的应用价值日益引起世界各国学者和工程技r 人员的兴趣。 1 11 形状记忆合金的发现 人类发现形状记忆效应( s h a p e m e m o r ye f f e c t ，简称s m e ) 最早可追溯到1 9 3 2 年o l a n d e r 在a u c d 台金中发现的类橡皮效应( r u b b e r l i k eb e h a v i o r ) ，1 9 5 1 年 l c z h a n g 和t a r e a d 在a u c d 合金单晶中发现试样的表面浮凸随其发生单界面 马氏体可逆相变而呈现可逆变化的现象。1 9 5 3 年，m w b u r k h a r t 和t a r e a d 在 i n t l 合会中观察到由热弹性马氏体相变引起的形状i 0 忆效应。然而，这些现象的 发现在当时还没有引起人们的足够熏视。壹到1 9 6 3 年，美国海军军械实验室 w j b u e h l e r 博士等人在近等原予比n i t i 合金中偶然发现了形状汜忆效应以后， 才引起人们的广泛兴趣。此后，人们陆续在c u z n 、c u a i - n i 及c u s n 等多种台 金中均发现形状记忆效应，到目前为止，已发现几十种具有形状记忆功能的合金。 1 1 2 形状记忆合金的分类 彝过广泛研究，到目前为止，具有形状记忆效应的台金可归纳为以下几类 2 】： ( 1 ) n i n 系包括等原子n i t i ，n i t i _ x ( x - f e 、a 1 、c o ) ： ( 2 ) 铜系，包括c u z n 系，如c u - z n 、c u - z n - x ( x = s i 、a l 、s n ) c u - a i 系，如c u - a 1 2 、 c u a 1 - n i ； ( 3 ) 其他有色金属系，如c o - n i 、n i - n b 、a u - c u - z n 、a u - c d 、a g - c d 、l n t i 等； f 4 ) 铁基合金，如f e p t 、f e n i c o 、f e m n - s i 、f e n i c o 币、f e - m n - c 及不锈钢等。 113 形状记忆合金的应用 虽然目前已发现的形状畦忆台金有凡h 十，但在实际中得到应用的形状记忆 合金主要有镍钛系、铜系和铁系( 不锈钢系) 3 大类。在应用领域，其发展阶段上 致 f f 3 tn i t i 合会的开发应用届肚8 0 年代) ，c u 基合金的开发应用( 7 0 8 0 年代) 和铁幕合金的开发应用( 8 0 9 0 年代) 。近年来形状记忆合会研究所取得的进展也主 和铣基合金的开发麻用( 8 0 9 0 年代) 。近年来形状记忆合余研究所取得的进展也主 要体现在n i t i 、c u 基和f e 基形状记忆合金开发应用及所进行的基础研究上。形 状记忆台金由于具有形状记忆效应、超弹性( s u p e r e l a s t i c i t y ) 等性能，因此得到 了广泛的应用。实际应用涉及电子、机械、航空航天、运输、建筑、化学、医疗、 能源以及日常生活用品等领域。 1 9 7 0 年，美国利用形状记忆合会制作的管接头成功的解决了f 1 4 战斗机钛合 金液压管路的连接问题，之后生产了几百万个这样的管接头，在数年后这些管接 头仍然工作的很好，没有发现泄漏现象f 3 】。随后，这类管接头在核潜艇和大口径海 底输油管道上得到应用。在航天领域，最早是美国在1 9 7 0 年首先将n i t i 形状记忆 合金用于阿波罗宇宙飞船的天线，天线用n i t i 合金丝制成，发射前折成蓖径5 c m 的球状，飞船进入太空后，通过加热使合金丝升温，达到7 7 相变温度后，天线 就完全打开成为原先设定的抛物面形状。近年来，美国已经研制出几种可重复使 用、响应速度快的记忆合金驱动器，并丌始在卫星的分离机构上应用f 4j 。在土木工 程中，形状记忆合金阻尼器用于桥梁等建筑物1 5 】，形状记忆合金隔震装置用于结构 抗震，s m a 智能混凝土使建筑物的生存能力得到提高，在遭地震和强风灾害时倒 塌和损坏的可能性降低 6 1 。利用s m a 的特性可以将热能转变为机械能。s m a 的相 变滞后只有几十度，只需两个温差几十度的高温源和低温源就能产生马氏体与母 相之问的转换，而变形后的马氏体能产生高达7 0 0 m p a 的回复力。根裾s m a 的这 种换能特性，可以对低质热能进行回收利用，如工业废水、废气、原子反映堆或 地热源排出的水等都是可利用的对象。利用这种原理制造的热发动机输出功率已 达l 千瓦叽 形状记忆合金广泛应用于医疗领域，如牙科矫形丝、医用内窥镜、人工肾脏 泵、人工心脏活门、去除凝血过滤器、脊锥矫正棒、脑动脉瘤手术用固定器、人 工关节、人工骨、避孕器具等。在生活用品中，净水器、炊事用具、咖啡制作器、 淋浴器喷头、胸罩、玩具、新型塑料镜片镜架、手机天线等形状记忆合金的产品 因其具有优良的性能而受到广大消费者的欢迎【“9 1 。除此之外，形状记忆合金在微 机电系统、机器人、汽车等领域有着广泛的应用1 。 随着形状记忆合金理论研究的深入，冶炼、加工工艺的提高，应用领域的拓 宽，相关国际标准的制定，形状记忆台金公司和专家国际化合作的加强，形状记 忆合金凭借其所具有的独特性能将拥有更广阔的应用前景。 2 1 2n i t i 形状记忆合金 1 2 1n i t i 合金的性能 n i t i 形状记忆合会是已发现的几十种形状记忆合金中的最重要的一种，它具 有良好的形状记忆效应与超弹性，此外还具有良好的柔韧性、抗疲劳性、耐腐蚀 性、生物相容性、高阻尼及传感驱动性等性能 2 , 1 3 1 ，因此得到了广泛的应用，特 别是在医学及生物领域的应用是其它形状记忆合金不可替代的。n i t i 合金的主要 性能如表1 1 所示。 表i 1n i t i 形状记忆合金的主要性能【4 1 t a b l e1 1m a i np r o p e r t i e so f n i t is h a p em e m o r ya l l o y 密度( g c m 3 ) 64 - 6 5 熔点( ) 1 2 4 0 n 1 3 1 0 比热(jkgk)490 热膨胀系数( 1 0 “。c ) 奥氏体 马氏体 1 0 6 6 电阻率mq 马氏体 。o 7 热导率( w “k , 2 0 c ) 马氏体 6 6 杨氏模量g p a 马氏体 2 8 4 1 屈服强度m p a 马氏体 5 0 - - 2 0 0 延伸率 2 0 - - 6 0 疲劳强度( l p a ，1 0 6 次) 。3 5 0 相变温度( ) 一2 0 0 1 1 0 1 0 0 次 6 - - 8 1 0 0 0 0 次 2 10000000次05 烈向可恢复麻变 1 0 0 次 1 0 0 0 0 次 1 0 0 0 0 0 0 0 次 6 6 2 0 5 形状记忆恢复应力m p a 相变滞后温度区间( ) 8 0 0 2 0 5 0 1 2 2n i t i 合金的研究现状及发展方向 几十年来，人们利用n i t i 合金的优良性能，开发出许多有应用价值的产品， 应用领域涉及电气、航空、航天、机械、运输、化学、医疗、能源、生活用品等。 n i t i 基合金的价格较高并且加工难度大，因此其商业应用受到了一定的限制，但 是到现在为止还没有发现价格低廉、与n i t i 合金性能相近的新材料作为n i t i 合金 的替代材料。n i t i 合金产品原材料的价格比较稳定，除非开发出新的应用领域或 应用范围拓宽使得订货数量增加，可使n i t i 合金原材料价格下降。丽形状记忆合 金的应用范围大幅度增加只有通过大量其他领域的专家介入形状记忆合金的研究 才能实现。 目前，n i t i 合金的研究主要集中在以下几个方面： f 1 ) n i t i 合金超弹性及形状记忆性能的研究 超弹性和形状记忆效应是形状记忆台金的两个最重要的性能，研究者主要研 究超弹性和形状记忆效应的产生机理、加工工艺、影响因素等。张巽奇等1 1 5 l 研究 了n i 含量对n i t i 合金超弹性的影响。虽然超弹性的发现要比形状记忆效应晚，但 发展迅速，目前n i t i 合金的应用有7 0 8 0 是利用n i t i 合金的超弹性，因此，随 着研究的深入，n i t i 合金将会得到更广泛的应用。 ( 2 ) 多元n i t i 基合金的研究 为了改善n i t i 二元合金的性能，常加入第三种元素形成三元合金。例如：加 c u ( 5 1 5 原子分数，代n i ) 可显著降低相变滞后，约可使n i t i 二元合金的相 变滞后减小三分之二，以至n i t i c u 三元合金的相变滞后与c u 基记忆合金类似； 加n b ( z 9 ( 原予分数百分比) ) 形成细小弥散的软颗粒分布于基体中，可显著 提高形变马氏体的稳定性，使马氏体的逆转变温度升高，相变滞后增大( 可达1 5 0 ) ，用这种宽滞后记忆合金制成的管接头可以不需要低温保存，工程应用十分 方便；加f e ( 1 3 原子分数百分比，代n i ) 可使n i t i 合金的r 相变和马氏体 相变温度明显分开，所以n i - t i f e 合金更适合r 相变应用1 1 1 ：对等原子比的n i t i 二元合金已进行了广泛的研究，其马氏体开始转变温度m s 一般不超过1 0 0 。c ，不 能满足诸如火灾报警、过热预警和自动保护系统以及高温驱动等场合的需要。用 a u 、p t 、p d 等贵金属取代n j 或用z r 、h f 取代t i 来提高合金的m s 点1 1 6 , 1 7 1 。 ( 3 ) n i t i 合金薄膜研究 近l o 年来，合金薄膜在微机电系统( m e m s ) 、溅射和微加工技术迅速发展的 带动下日益受到人们的重视1 8 1 。很多学者f 1 9 q 1 1 从事n i t i 合会薄膜的超弹性、形状 记忆性能等的研究。 ( 4 ) 生物医学应用的研究 n i t i 合金因为具有优良的耐腐蚀性、生物相容性、超弹性等性能，在生物医 学方面得到广泛的应用。很多学者t 2 2 - 2 4 1 从事n i t i 合金耐蚀性及生物相容性的研究。 多孔n i t i 合金作为生物医学材料有很多优点，如多孔结构有利于人体体液营养成 分的传输；有利于骨的矿化组织和纤维组织长大而使其与周围组织结合更牢固， 同时多孔n i t i 合金独特的体积记忆效应也使植入物的植入过程简化25 。陆荣林等 2 6 1 研究了多孔n i t i 合金的力学性能，李丙运等2 7 1 研究了多孔n i t i 合金的超弹性 性能。多孔n i t i 合金具备的医用价值将使其成为热门的研究方向。 ( 5 ) 阻尼性能研究 n i t i 合金热弹性马氏体相变过程中的界面( 相界面、孪晶界面、变体界面) 移动吸收能量而具有优良的阻尼特性2 8 1 ，因此可用于减震降噪。黄学文等研究 了不同热处理条件对n i t i 合金阻尼性能的影响。b c o l u z z i 等p 0 4 3 1 研究了n i t i 合 金的内摩擦性能。大振幅条件下n i t i 合金的阻尼性能，n i t i 机敏材料的阻尼性能， 超弹性宽滞后n i t i 合金的阻尼性能将成为新的研究方向 3 4 】。 除此之外，n i t i 合金具有很好的摩擦学性能，n i t i 合金的摩擦学性能研究状 况将在下一节中介绍。 1 2 3n i t i 合金摩擦学性能研究进展 1 2 3 1n i t i 台金摩擦学性能研究现状 n i t i 合金具有良好耐磨性能是1 9 8 2 年由a r c e r i o b 首次提出的，但并未进行深入 的研究【3 5 1 。二十几年来，国内外很多学者1 1 2 , 1 3 , 3 5 。7 8 1 研究了在不同的磨损形式( 如滑 动磨损、滚动磨损、点蚀、射流磨损、喷砂磨损等) t n i t i 合会的耐磨性。金嘉陵 等【3 6 l 较系统的研究t n i t i 合金的耐磨性，包括不同条件热处理、不同n i 含量n i t i 台金耐磨性的对比，n i t i 合金与传统耐磨材料c 0 4 5 、3 8 c r m o a l ( 氮化) 的耐磨性 对比。经不同条件热处理的n i t i 合金摩擦磨损试验表明：热处理工艺以1 0 0 0 。c 3 0 分水淬和( 1 0 0 0 。c 3 0 分水淬+ 4 5 0 。c 3 0 分空冷) 两者为佳。在摩擦初期，一次固 溶处理样品的磨损量略高于( 固溶+ 实效) 处理样品的磨损量。随着摩擦距离的 增加这种差异逐渐减小。并认为高于5 0 0 。c 的时效处理是不可取的，它会使材料的 磨损增加，这可能与时效析出粒子的过分长大有关。n i 含量对n i t i 合金耐磨性有显 著影响，随着合金n i 含量( 4 8 a t 5 2 a t ) 的增加，耐磨性随之相应得到改善。 n i t i 合金和c 0 4 5 、3 8 c r m o a l ( 氮化) 等耐磨材料，相同条件。f ( 磨距：7 0 4 m ；转 速：2 0 0 转分；对磨材料：y 1 8 ) 在m m 2 0 0 磨损试验机上进行摩擦磨损试验。试验 结果表明：n i t i 合金在各种负载条件下，其耐磨性能均优于3 8 c r m o a l ( 氮化) ： 在低负载条件下比c 0 4 5 稍低些，但在高负载条件下则明显的l t c 0 4 5 好。n i t i 合金 的硬度t g c 0 4 5 和3 8 c r m o a l 低的多，但却表现出更好的耐磨性。金嘉陵对此做出的 解释是：( 1 ) n i t i 合金具有高弹性，在摩擦过程中不易产生塑性变形，使得摩擦 过程中摩擦面的真实接触面积增大，减小了磨损。( 2 ) n i t i 合金b 2 母相为体心立 方有序结构的金属间化合物，低温马氏体为b 1 9 型单斜结构，晶体中的滑移系较少， 启动滑移应力水平较高。( 3 ) n i t i 合会经4 0 0 。c 5 0 0 c 时效处理后呈弥散状析出的沉 淀相起强化作用，它与基体保持共格关系，不易产生剥落，有利于提高合金的耐 磨性能。黄学文等 3 7 , 3 8 1 也做了类似的试验，证明t n i t i 台金的耐磨性优于4 5 4 钢。 任万才等3 9 1 研究t n i t i 合金的一维自补偿摩擦性能，试验结果表明，试验温度下 处于母相状态的n i t i 合金具有较好的白补偿性能，这种白补偿特性有望用于短程磨 损场合，如离合器、刹车片、精确定位器件等。这类n i t i i 己忆合金的耐磨性为4 5 “ 淬火钢的2 1 倍。 d y l i 和r l i u 等d 0 4 s l 通过n i t i 合金和3 0 4 不锈钢的对比性磨损试验，发现 n i t i 合金的耐磨损性能明显优于3 0 4 不锈钢。并认为这主要是由n i t i 合会的超弹性 决定的，同时n t i 合金的加工硬化性能、耐疲劳性起到了很大作用。超弹性是由可 6 恢复的马氏体相变引起的，但通过拉伸试验测得的超弹性不能很好的反映材料的 摩擦磨损性能。拉伸试验过程中材料受到均匀的拉力，在大载荷下，产生很多位 错，因此超弹性下降。这与摩擦磨损的实际过程不一致，实际情况是即使在大载 荷下，由于微凸体的受力情况复杂，受力并不均匀。有的地方受力很小，因此超 弹性仍能起到很大作用。鉴于上述情况，d y l i 通过纳米压痕的方法，模仿摩擦 过程中微凸体的接触，来检测n i t i 合金的超弹性。并总结了磨损量与硬度、超弹性、 压痕载荷、摩擦测试法向载荷之问的关系式。通过纳米探针小范围刮擦试验验证 了公式的正确性。p c l a y t o n 4 6 1 把在无润滑条件下的n i t i 合金的耐磨性和传统的珠 光体钢进行了比较，发现在剧烈接触的情况下，n i t i 合金表现出了较高的耐磨性。 他还研究了n i t i 合金在水润滑条件下与其自身进行滚动接触的情况，也发现了该合 金具有较高的抵抗磨损的能力，他把该合金在滚动滑动条件下所表现出的优异抗 磨损性能归因于加工硬化。v i m b e n i 等【4 7 】研究了n i t i 合金在以不同粒径的碳化硅、 氧化铝、碎玻璃为磨料的微动磨损性能，通过对比找到打磨激光切割心血管支架 内表面的有效方法。h c l i n 等 4 8 - 5 0 做t n i 5 0 t i 5 0 n n i 5 l t i 4 9 两种合金对比性摩擦磨 损试验，研究了n i t i 合金离子氮化涂层的耐磨性，氮化处理后，在n i t i 合金表面形 成了t i n 和t i 2 n i 的复合涂层，该涂层的摩擦系数低，磨损量小。对n i t i 合金的耐磨 性机理进行了分析，认为n i t i 合金母相的超弹性、热弹性马氏体相变、应力诱发马 氏体相变及马氏体变体的自适应性部分的减轻了载荷并通过弹性变形把部分能量 吸收掉，这些特性及加工硬化性能使疲劳裂纹钝化，并阻止了裂纹的进一步生长， 因此提高了n i t i 合金的摩擦学性能。 王立民等弘5 6 1 提出t n i t i 合金的机敏摩擦学特性，认为机敏摩擦学性能受到伪 弹性模量、相交启动应力、伪弹性应变量、屈服极限4 个因素的影响。通过有限元 软件进行模拟分析，结果表明，l 当n i t i 合金具有较高的相变启动应力、伪弹性应变 量，屈服极限，较低的伪弹性模量时具有更好的摩擦学性能，4 个因素中伪弹性应 变量起到决定性作用。l i u 等5 7 1 通过有限元的方法模拟了n i t i 合金的摩擦过程，结 果表明，n i t i 合金的耐磨性优于3 0 4 不锈钢，超弹性为n 汀i 合金耐磨性的决定因素。 h z y e 等【5 8 2 】研究t n i t i 基复合材料的摩擦学性能，通过真空烧熔的方法把 t i 、n i 和t i c 或t i n 粉末加工成t i c 烈i t i 或t i n n t i 复合材料，通过试验证实了在 1 5 0 0 烧熔6h ，t i n 或t i c 体积分数为5 2 时复合材料具有较好的耐磨性，通过和 3 0 4 不锈钢、冷拔和热处理的两种n i t i 合金、w c n i c r b s i 硬质镀层在销稳：式磨损 试验机上( 不同载荷，相同速度：6 0r e d m i n ) 的对比性磨损试验结果表明，t i c n i t i 和t i n n i t i 的耐磨性相近，在不同载荷下均优于3 0 4 不锈钢和两种n i t i 合金，在低 载时优于w c n i c r b s i ，高载性能不如w c n i c r b s i ，h z y e 等认为这是因为低载 时复合材料的超弹性起到很大作用，而在高载时超弹性发挥的作用较小。复合材 料的磨损量随着载荷的不断增大呈现先增大后减小的趋势，这是因为在高载荷下 复合材料的空穴在摩擦过程中自愈合，因此提高了复合材料的耐磨性。通过热均 衡加压的方法使复合材料的空穴明显减小，改善了复合材料的摩擦学性能。 j s i n g h 等【6 3 j 研究t t i s o n i 4 7 f e 3 的千摩擦性能，对摩材料为s a e5 2 1 0 0 轴承钢， 试验结果表明，t i 5 0 n i 4 7 f e 3 的磨损量在载荷为0 1 0 0 0 n 范围内明显小于s a e5 2 1 0 0 轴承钢，低速时磨损量小于s a e5 2 1 0 0 轴承钢，高速时则相反。徐久军等【叫做了 t i 5 0 n i 2 5 c u 2 5 、近等原子比n i t i 和3 8 c r m o a l 的两体磨粒磨损对比性试验( 对磨材料： 4 5 4 钥、6 0 0 4 水砂纸) 。两体磨粒磨损试验结果表明：t i 5 0 n i 2 5 c u z 5 和n i t i 台金在不 同载荷下均表现出良好的耐磨性能，且二者的耐磨性相近。不论是与4 5 “淬火钢还 是与6 0 0 4 水砂纸配磨，t i 5 0 n i 2 5 c u 2 5 合金的耐磨性能均明显优于3 8 c r m o a i ( 氮化) ， 且随着行程增加，失重量有进一步增加的趋势。提出t n i t i 系合金的“自适应”磨 损理论。 h c l i n 等【1 2 l 通过n i t i 合金与3 0 4 不锈钢的穴蚀试验，证明了n i t i 合金的穴蚀 性能明显优于3 0 4 不锈钢。柳伟等【6 5 】利用磁致伸缩仪对近等原子t e n i t i 合金的穴蚀 性能进行研究，发现n i t i 合金的穴蚀磨损量仅为0 c r l 3 n i 5 m o 不锈钢的2 左右。徐 久军等6 6 塘过磁致伸缩激振式穴蚀试验机研究了爆炸喷涂n i t i 涂层的穴蚀性能， 结果表明，经过热处理的n i t i 涂层具有更好的穴蚀性能。h i t o s h ih i r a g a 等1 67 j 研究了 等离子喷涂n i t i 合金的穴蚀性能，结果表明在n j 原子分数为6 0 左右，喷涂功率为 9 l o sw m 2 时获得的n i t i 涂层具有最好的穴蚀性能。f t c h e n g 等 6 8 - 7 1 研究了热处 理及电解充氢对n i t i 合金穴蚀性能的影响，并通过努普压痕法预钡u n i t i 合金的穴蚀 性能。a p e t e r - 等1 7 2 - 7 4 1 也研究了n i t i 合金涂层的穴蚀性能。 h c l i n 等【1 3 通过n i t i 合金与3 0 4 不锈钢的砂水射流冲蚀对比性试验，证实了 n i t i 合金的冲蚀性能明显优于3 0 4 不锈钢。柳伟等f 7 5 通过多相流冲蚀试验证实了 n i t i 合金的冲蚀磨损性能优于0 c r l 3 n i 5 m o 不锈钢。徐久军等p 驯做t t i 5 0 9 4 n i 与c r l 3 钢在砂水混合物中冲蚀性能的对比性试验。砂蚀试验结果表明n i t i 合会在砂 蚀磨损条件f 具有良好的冲蚀性能。认为n i t i 合金的弹性变形能力与一股金属不 同，表现出一种特殊的机敏摩擦学特性，这种特性有利于n i t i 合金抗砂蚀磨损性能 的提高。z h a n g 掣7 7 】通过射流试验研究了温度和速度对n i t i 合会冲蚀性能的影响， 最小磨损量对应的温度大于 m s ( 马氏体相变开始温度) ，认为超弹性对n i t i 合金 的冲蚀性能起到了决定作用。在试验温度范围内，n i t i 合金的冲蚀性能优于1 0 3 0 钢。浆罐式冲蚀试验结果表明n i t i 合金的冲蚀性能优于3 0 4 不锈钢。y n l i a n g 等【7 8 】 研究t 4 种经不同热处理的n 汀i 合金( 在室温( 试验温度) 条件下分别处于马氏体、 奥氏体及马氏体和奥氏体混合状态) 与2 0 2 4 a 1 及硬质n i 4 钢在滑动、刮擦和喷砂三 种磨损形式下的摩擦学性能，结果表明，4 种n i t i 合金的耐磨性优于2 0 2 4 a 1 ，低载 时优于硬质f n i 4 钢，高载时则比n i 4 钢的耐磨性差。当载荷超过某一临界值时n i t i 合金的磨损量会突然增加，这是由于n i t i 合金的超弹性在高载时起不到应有的作 用。认为可恢复应变可以表征不同状态的l n i q i 合金在不同摩擦形式下的耐磨性，可 恢复应变越大，耐磨性越好。 中外学者对n i t i 合余摩擦学性能的研究成果表明，n i t i 合金在滑动、滚动、穴 蚀、冲蚀等摩擦磨损形式下具有很好的耐磨性，n i t i 合会涂层、多元n 汀i 合金、 n i t i 合会复合材料也具有很好的耐磨性，但到目前为止关于 n i qi 合金摩擦学性能的 决定因素还没有达成一致性的认识。普遍认为n i t i 合金的超弹性起到了很大的作 用。n i t i 合金的超弹性在很大程度上是由温度决定的，因此：n i t i 合金的耐磨性受到 温度的限制，所以n i t i 合金作为耐磨材料适用于温度变化不大和没有明显摩擦热的 开式系统，如各种泵、阀门、采矿、农业和水利机械。 1 2 3 2n i t i 合金摩擦学性能研究存在问题 虽然有很多学者从事n i t i 合金的耐磨性研究，但对n i t i 合金耐磨性的研究还 不十分全面，还没有完全揭示形状记忆合金的耐磨本质，存在以下方面的问题： ( 1 1 很多学者认为n i t i 合金的耐磨性很大程度上取决于n i t i 合金的超弹性，n i t i 合金的超弹性受到很多因素的影响，摩擦过程中影响超弹性的很多因素都在不 断的变化，因此，超弹性在摩擦学系统中所起的作用是十分复杂的，但关于超 弹性在摩擦过程中所起的作用缺乏系统的分析。 ( 2 ) n i t i 合金的摩擦特性受到温度、应力、应变、热处理、组分和冷变形等多方丽 的影响，有很多学者研究了热处理、组分和冷变形量对n i t i 合金耐磨性的影响， 但对温度和应力的影响研究很少，很少有学者就上述所有因素对n i t i 合会磨损 性能的影响进行系统的研究。 ( 3 ) 虽然有一些学者对n i t i 合金的冲蚀性能进行了研究，但所作的研究没有针对 性，因此也很少得到应用。目前n 合会的冲蚀试验没有统一的标准，不同研 究者采用不同的方法进行试验，因此，试验结果对比性较差。 ( 4 ) 很多研究者发现n i t