（材料学专业论文）超高分子量聚乙烯的扭动微动磨损研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 以良好的耐磨性，优良的机械性能以及生物 相容性，作为人工关节窝材料与金属或陶瓷关节头组合构成现代人工关节。人 工关节长期使用后会产生磨损，磨损颗粒诱导骨吸收，是引起人工关节无菌松 动和最终失效的主要因素。关节的运动方式主要有滑动、滚动和微动。考虑到 人体活动的特殊性，有些运动会引起关节头在臼杯中小角度的旋转，则两个接 触面间就会产生扭动微动。作为微动的一种运动模式，扭动微动研究鲜有报道。 本文采用球面接触，研究了u h m w p e 在两种法向载荷( f a = 1 0 0 n 、2 0 0 n ) 、 五种角位移幅值( 口= 0 2 。、1 0 、5 0 、3 0 0 和9 0 0 ) 、与两种配副2 0 3 和t c 4 ) 对磨 时的扭动微动行为。在详细分析微动接触条件下动力学特性的基础上，结合光 学显微镜( o m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线光电子能谱仪( x p s ) 和x 射线衍 射仪( x r d ) 对磨痕进行了分析，探讨了扭动微动过程和损伤机制，得到了以下 结论： 1 扭动微动的运行特性可以通过摩擦扭矩角位移幅值口嘲曲线进行描 述；u h m w p e 的t - 0 曲线呈现3 种基本特征，即直线形、椭圆形和平行 四边形。 2 当角位移幅值较小时( 曰= o 2 。) ，u h m w p e 的扭动微动处于部分滑移区；角 位移幅值较大时处于滑移区。法向载荷的增加对曲线的形状无影响。 3 扭矩曲线可分为跑合、上升和稳定三个阶段：本论文的有些试验条件下稳 定阶段没有出现。 4 试验初期，扭动接触刚度随循环次数的增加较快，后达到稳定。耗散能在 试验初期基本保持不变，随着循环次数的增加逐渐上升。 5 当角位移幅值度较小时，u h m w p e 磨损较轻微，磨痕中间几乎无磨损， 磨痕外圈出现细密的犁沟，分布着较多微小的球形磨屑；当角位移幅值较 大时，磨痕表面分布着较多的凸脊，稍外侧材料表面出现撕裂，磨痕的最 外圈出现众多犁沟和磨屑。u h m w p e 的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 磨损和氧化磨损。 6 x p s 和x r d 分析发现，与原始表面相比，磨痕表面的结晶度有所下降， 表面磨损过程中存在u h m w p e 大分子链的断裂，同时磨损过程中伴随着 氧化。 7 u h m w p e 与a 1 2 0 3 和t c 4 两种配副对磨时，摩擦扭矩角位移幅值曲线、 扭矩曲线、耗撤能曲线和扭动接触刚度的变化规律相似。在f = 1 0 0 n 时， u h m w p e 厂r c 4 扭矩值较高；r = 2 0 0 n 时u i i m w p e a 1 2 0 3 扭矩值较高。 u h m w p e 越2 0 3 的摩擦耗散能较u h m w p e t c 4 高。u h m w p e 磨损表面 出现相似的特征；不同的是u h m w p e 厂r c 4 磨痕心部有塑性流动的迹象， 而u h m w p 彤趾2 0 3 时无此现象。同种工况下u h m w p 耵c 4 的磨痕深度较 浅，磨痕直径略小。 关键词：摩擦磨损；微动磨损；扭动微动；微动区域；u h m w p e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 a b s t r a c t u l t r ah j 曲m o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) h a sh i g h e ra b r a s i o n r e s i s t a n c e ，l o w e rc o e f f i c i e n to fs u r f a c ef r i c t i o n ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d b i o c o m p a t i b i l i t y t h eb e s tc o m b i n a t i o n sf o ra r t i f i c i a lj o i n ta r eu h m w p e f o r t h ec u p a n dm e t a lm a t e r i a l sf o rt h eh e a d w e a ro c c u r si na r t i f i c i a lj o i n ta f t e rb e i n gu s e df o ra l o n g - t i m e w e a rd e b r i si n d u c eb o n er e s o r p t i o n ，w h i c hl e a dt oa s e p t i cl o o s e n i n ga n d u l t i m a t ef a i l u r eo fa r t i f i c i a lj o i n t t h em a i nm o d e so fm o v e m e n ti nm o s tk i n d so f j o i n t si n c l u d es l i p p i n g , r o l l i n ga n df r e t t i n g c o n s i d e r i n gc o m p l e x i t yo ft h eh u m a n b o d y , s o m em o v e m e m sa r er e q u i r e da st h er o t a t i o no ft h eh e a di nt h ea c e t a b u l a rc u p 。 w h e r et o r s i o n a lf r e t t i n go c c u r sb e t w e e nt w oc o n t a c ts u r f a c e s t h es t u d yo ft o r s i o n a l f r e t t i n gw e a rh a sn o ty e tb e e nd o n eu pt on o w t h et o r s i o n a l f r e t t i n g b e h a v i o r so fu h m w p eu n d e rv a r i e da n g u l a r d i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s ( 0 = 0 2 。，1 。，5 。，3 0 。a n d9 0 。) ，a n dn o r m a li o a d s ( f = 1 0 0 n 、 2 0 0 n ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h ew e a rb e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e du n d e rab a l l - o n - f l a t c o n f i g u r a t i o nw i l ht w ok i n d so fc o u n t e r - p a i r s ( a 1 2 0 3a n dt c 4 ) t h ek i n e t i cb e h a v i o r s o ft o r s i o n a lf r e t t i n gt e s t sw e r ca n a l y z e di nd e t a i li nc o m b i n a t m nw i t hm i c r o s c o p y e x a m i n a t i o n s t h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r i c a l m i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e a r o s c o p y ( x p s ) a n d x - r a y d i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) t h et o r s i o n a lf r e t t i n gp r o c e s s e sa n dm e c h a n i s m sh a v eb e e n a n a l y z e d ，a n dt h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f r i c t i o nt o r q u e 。a n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s ( t - 0 ) c u r v ew a su s e dt o d e s c r i b et h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft o r s i o n a lf r e t t i n g t h r e et y p i c a lt y p e so f - i 8c l l l v e sw e r ep r e s e n t e df o rt h eu h m w p e , l e i ns h a p eo fl i n e a r , e l l i p t i c a l a n dp a r a l l e l o g r a m 2 w h e nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew a ss m a l l e r ( p = o 2 。) ，t h ef r e t t i n gw a s r u n n i n gi np a r t i a l s l i pr e g i m e w h e nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew a s h i g l l e r , t h ef r e t t i n gw a sr u n n i n gi ng r o s ss l i pr e , m e i n c r e a s e dn o r m a ll o a d sh a d a l m o s tn oe f f e c to nt h es h a p eo f1 - 0c u r v e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 3 t h et o r q u ec u r v e sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，l e r u n n i n g - i ns t a g e ，a s c e n t s t a g ea n ds t e a d ys t a g e u n d e rs o m et e s tc o n d i t i o n s ，t h e r ew a sn os t e a d ys t a g e 4 t o r s i o n a lc o n t a c ts t i f f n e s si n c r e a s e dq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro f c y c l e s a tt h ei n i t i a ls t a g eo ft e s t ，a n dt h e nr e a c h e dt h es t e a d ys t a t e f r i c t i o n d i s s i p a t e de n e r g yg l l r v e sf i r s tk e p ti n v a r i a n ta n dt h e nr o s eg r a d u a l l yw i t ht h e n u m b e ro f c y c l e s 5 w h e nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew a ss m a l l e r , t h ew e a ro fu h m w p e w a sv e r ys l i g h ta n df r e ed a m a g eo c c u r r e di nt h ec e n t r eo ft h es e a l s s o m ef i n e d p l o u g h sa n ds c a t t e r e ds p h e r i c a ld e b r i sw e r ed i s t r i b u t e di no u t e ra n n u l u so ft h e c o n t a c ta r e a w h e nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew a sh i g l l e r , t h ew e a rs c a r o fu h m w p ew a sc h a r a c t e r i z e db yr i p p l e s ，p l o u g h sa n dt e a r sa p p e a r e di no u t e r a n n u l u so ft h ec o n t a c ta r e a t h em a i nw e a r m e c h a n i s m sf o rt h eu h m w p ew e r e a b r a s i v ew e a r , a d h e s i v ew e a ra n do x i d a t i o nw e a r 6 t h ex p sa n dx r da n a l y s i sf o u n dt h a tt h ec r y s t a i l i n i t yo fw o r ns c a rd e c r e a s e d c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a ls u r f a c e ，a n dt h e r ew e r es c i s s i o no ft h eu h m w p e c h a i n so c c u r r e d a tt h es a m et i m e ，t h ew e a rp r o c e s sa c c o m p a n i e dw i t ho x i d a t i o n d u r i n gt o r s i o n a lf r e t t i n g 7 n ev a r i a t i o no ft h e1 - 0c u r v e s ，t h et o r q u ec u r v e s ，t h ef r i c t i o nd i s s i p a t e de n e r g y a n dt o r s i o n a lc o n t a c ts t i f f n e s sw e r es i m i l a rw h e nt h ef r i c t i o np a i r sw e r ea 1 2 0 3 a n dt c 4 n ev a l u eo ft o r q u eo fu h m w p e t c 4w a sh i g h e ra tr = 1 0 0 n ，b u t h i g h e rf o rt h eu h m w p e a 【2 0 3c o n t a c ta tr = 2 0 0 n t h ef r i c t i o nd i s s i p a t e d e n e r g y o ft h eu h m w p e a 1 2 0 3c o n t a c tw a s h i g h e r t h a nt h a to ft h e u h m 伊e 厂r c 4c o n t a c t t h em o r p h o l o g i e so ft h ew e a rs c a r so fu h m w p ew e r e s i m i l a rf o rt h eb e t hc o u n t e r - p a i r s b u tt h e r ew a ss o m ed i f f e r e n t ：t h ep l a s t i cf l o w a p p e a r e da tt h ec e n t e ro ft h ew e a rs c a ro ft h eu h m w p e ，t c 4c o n t a c t b u tt h e p h e n o m e n o nd i s a p p e a r e df o r t h eu h m w p e a 1 2 0 3c o n t a c t t h ed e p t ha n d d i a m e t e ro ft h eu h m w p e ，r c 4s c a r sw e r e 】o w e r u n d e rt h es a m et e s tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：f r i e l i o na n dw e a r ：f r e t t i n gw e a r ：t o r s i o n a i f r e t t i n g ； f r e t t i n gr e g l m e ：u h 删p e 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 通大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和 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 不保密函适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：龠住指导教师签名： 韶乏 日期：如8 年6 月5 日 日期：o 仍8 年6 月了e l 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其它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，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 扭动微动的运行特性可以通过扭矩角位移幅值( t 9 ) 曲线进行描 述。u h m w p e 的t 0 曲线呈现3 种基本特征，即直线形、椭圆形和 平行四边形。 2 当角位移幅值度较小时，u h m w p e 磨损较轻微，磨痕中间几乎无磨损， 磨痕外圈出现细密的犁沟，分布着较多微小的球形磨屑；当角位移幅 值度较大时，磨痕表面分布着较多的凸脊，稍外侧材料表面出现撕裂， 磨痕的最外圈出现众多犁沟和磨屑。u h m w p e 的磨损机制主要为磨 粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。 学位论文作者签名i 偷佳 日期：0 8 年6 月了日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 微动摩擦学基本概念 微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下， 接触表面间发生的振幅极小的相对运动( 位移幅值一般为微米量级) ，这些接 触表面通常名义上是静止的，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中1 1 1 。 微动是一种相对运行幅度很小的摩擦方式，其造成的材料损伤通常表现 为两种形式，即： ( 1 ) 微动导致的磨损：微动可以造成接触面间的表面磨损，产生材料损失 和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源。 ( 2 ) 微动导致的疲劳：微动可以加速裂纹的萌生与扩展，使构件的疲劳寿 命大大降低，微动疲劳极限甚至可低于普通疲劳极限的1 3 。这种损伤形式 往往危险性更大，可能会造成一些灾难性的事故。 在微动摩擦学领域，习惯将微动分为3 类i z 】：( 1 ) 微动磨损，指接触表面 的相对位移由接触副外界振动引起的微动。接触体承受局部接触载荷和固定 的预应力，破坏形式主要有：材料损失和构件尺寸变化，部件问咬合、松动、 功率损失、增加噪音或形成污染源等。( 2 ) 微动疲劳，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。表现为承 受负荷较大，微动幅度较小，导致构件疲劳强度下降，零件在接触损伤区内 萌生裂纹，裂纹在交应力作用下扩展而导致的疲劳强度下降或早期断裂。( 3 ) 微动腐蚀，这是指在电解质或其他腐蚀性溶液中，微动与腐蚀联合作用造成 的表面损伤，腐蚀作用占优势。 应当指出，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀实质上只是微动的三种类型， 并非是三种不同的损伤机制。微动磨损和微动疲劳( 裂纹的萌生与扩展) 才是 两种基本的破坏机制【3 】，而且这两种机制在三种微动类型中均可能存在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 。1 微动运行模式 在实际工程中微动现象对应的微动运行状态是非常复杂的，为了便于研 究，通常按球平面接触模式将微动状态进行简化。根据接触体间相对运动的 不同，微动可分为4 种基本运行模式，见图1 - 1 。郎：切向微动；径向微 动；滚动微动；扭动微动。后三类微动形式虽然在工业中经常出现，但 研究报道却极少，而两种或两种以上的微动模式的叠加，即复合微动，因其 问题复杂性大大增加，研究更是少见。 查查鸯查 匿勇 ( a ) 切向微动 1 1 2 微动图理论 回o ( b ) 径向微动( c ) 滚动微动( d ) 扭动微动 p 法向压力；d 位移幅值；o 角度振幅 图1 1 微动运行的4 种基本模式示意图 1 9 8 8 年v i n g s b o 在一定的试验条件下，对三种金属材料的微动磨损进行了 研究，并对摩擦力变化和试样损伤进行了分析，提出了微动图的概念f 4 】。但 他对微动区域的划分仅取决于微动试验所观察到的现象，缺乏理论依据，对 微动损伤机理也缺乏了解。z h o u 和v i n c e n t 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二类微动图理论，成功解释各种微动损伤的微动 机理，并已经成功地用来研究不同材料的微动行为【5 - 9 1 。 二类微动图包括：运行工况微动图和材料响应微动图。运行工况图由部 分滑移区、混合区和滑移区组成，其区域的划分是根据摩擦力一位移幅值一 循环次数的变化特征确定的；材料响应微动图由轻微损伤区、裂纹区和磨损 区组成，其区域的划分主要由损伤类型确定，损伤区域分布、尺寸大小与循 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 环次数密切相关【1 ，1 1 1 ( 1 ) 运行工况微动图 接触面间的摩擦力一位移幅值曲线( e d 曲线) 是微动磨损试验最基本、 最重要的信息。大量不同工况下的试验表明，微动试验可以得到3 种基本类 型的只- d 曲线：即直线状、平行四边形状和椭圆状。 直线型f t 口曲线：主要发生在极小位移幅值或较大法向压力的条件下， 两接触表面不发生相对滑动，运动状态处于部分渭移。接触工况符合m i n d l i n 理论。 平行四边形型f t _ d 曲线：与前者相反，该类f 。- d 曲线表明两接触体在 往复过程中发生相对滑移。 椭圆型f t - d 曲线：该类f t d 曲线一般在微动初期很少发生，通常在一 定的微动循环次数后形成，摩擦表面通常伴随有较强烈的塑性变形。 按微动过程中f t - d 曲线随循环次数的变化，将微动运行工况分为下列三 个区域： 部分滑移区：处于该区域的f 。曲线绝大部分呈为直线状。两接触体不 发生相对滑移。对球平面接触，接触区域可分为两个部分：接触中心的粘着 区和发生在接触边缘的圆环状微滑区。对于部分滑移区的微动，主要仍以表 面弹性变形调节为主，产生的磨屑也很少，因此，即使在稳定状态仍以二体 接触为主，总体损伤仍属轻微。 滑移区：整个微动过程中，f t d 曲线呈现平行四边形状，两接触体均发 生相对滑移。结合对接触表面的微观分析，发现滑移区的破坏过程为：在试 验初期，几次到几十次循环内，接触表面污染膜的保护作用，摩擦系数较低； 然后随着循环次数的增加，污染膜逐渐破裂，材料发生直接接触，由于表面 粘着和塑性变形作用，摩擦力迅速增加；持续的表面加工硬化和表层材料发 生转变，材料脆性增加，导致颗粒剥落，大量颗粒积累在表面形成第三体层， 第三体层参与承载，摩擦系数逐渐下降；经过一定的循环次数后，微动处于 相对稳定阶段。第三体的产生和从接触表面派出保持动态平衡，摩擦系数变 化较小。 混合区：位移幅值介于滑移区和部分滑移区之间。通常可以观察到f t d 曲线由滑移型( 平行四边形) 到粘着型( 直线状) 在整个过程中反复转变多 次。该区域相对稳定阶段的r d 曲线多数情况下呈椭圆状。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 材料响应微动图 对应于运行工况图，可以建立一定循环次数后相应微动区域内的损伤情 况示意图，即材料相应微动图，如图1 - 2 所示。总体上看，第二类微动图由以 下三个区域组成：( 1 ) 轻微损伤或无损区，光学显微镜不能明显观测到微动 斑内的表面损伤( 含裂纹) 。( 2 ) 裂纹区，有超过测试材料晶粒尺寸的裂纹， 同时，此区伴有较大的表面冷变硬化和少量的磨屑部分。( 3 ) 大量磨屑剥落 形成的磨损区，在此区域，通常有较多的磨屑积聚或深麻坑。 图1 - 2 材料相应微动图( 2 0 9 1 铝合金，f - - 1 h z ，n = 1 0 6 ) 1 1 3 微动摩擦学最新进展 自2 0 世纪9 0 年代以来，微动摩擦学的发展状况综述如下【1 2 。1 5 】： ( 1 ) 从单一的切向微动模式向其他微动模式( 径向、扭动、转动、冲击 等模式等) 、复合微动等研究的转变。 朱曼吴以金属材料( 工业纯铁、4 5 # 钢、g c r l 5 钢、2 0 9 1 铝锂合金) 和表面 涂层为对象研究了径向微动和复合微动的运行和损伤过程【1 0 。试验表明：径 向微动的载荷位移曲线( f - d 曲线) 具有两种基本类型，郎张开型和闭合型。 f d 曲线和径向位移，强烈地受载荷水平和材料性质影响；加载速度和表面 粗糙度对径向微动过程有明显影响；径向微动损伤主要发生在第二相和材料 缺陷的区域，表现为接触疲劳的特征，颗粒均以剥层机制进行。 复合微动的f d 曲线明显地表现出切向和径向微动模式复合的特征，并 呈现3 种基本类型，即准梯形型、椭圆形型和直线型。f d 曲线特征和垂向位 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 移，强烈依赖于载荷水平、倾斜角度、材料性质和试验过程。根据3 种f d 曲 线，可将复合微动过程划分为3 个阶段，材料性质强烈地影响着3 个阶段的持 续时间。这3 个阶段的运行和损伤特征为： a ) 阶段i ：f d 曲线呈准梯形，处于完全滑移状态，并主要出现在试 验的早期。磨痕呈非对称的彗星状，可明显观察到由犁削产生的划痕和粘着 现象，高载荷水平下还有显著的塑性流动。微动白层、平行裂纹和第三体己 在该阶段形成。 b _ ) 阶段：f - d 曲线为椭圆形型，变形处于弹塑性范围，相对运动为部 分滑移。形成中间粘着和边缘微滑的环状损伤形貌。平行和垂向裂纹相遇， 导致片状颗粒按剥层机制脱落。第三体聚集在接触界面间，二体接触转变为 三体接触。 曲阶段：f - d 曲线呈直线型，变形完全处于弹性协调状态。三体层 的调节作用，使磨损速率大大降低。颗粒的剥落仍以剥层机制进行，但尺寸 明显变小。疲劳裂纹的形成是该阶段的最主要特征。 复合微动试验过程中可出现滑移、混合和部分滑移等3 个微动区域。混合 区的形成是反复的裂纹形成、扩展和颗粒剥落的结果。导致损伤的微观因素 与外部试验条件的相互作用，产生位移的协调。利用位移协调机制，可以解 释复合微动运行和孙卅很能够过程中实际接触角度转向径向微动，磨痕中心 的迁移、位移值的波动、混合区f - - d 曲线类型的转变等现象。 ( 2 ) 理论分析。理论分析不再局限于h e r t z 弹性接触理论，借助于大型计 算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析( 包括热力学) 等研究 手段来模拟微动的运行和破坏过程已成为微动摩擦学的理论研究的重要特 征。 ( 3 ) 多学科交叉发展。随着微动学的发展，人们越来越认识到要深入研 究微动问题，必须借助材料、力学、物理、化学、生物、电工等方面的知识。 比如由于衰老、疾病和外伤等原因，医用植入体大量地应用于人体器官的固 定、修复和替代【播1 8 】。在体内的腐蚀性生理环境和交变载荷的相互作用下， 骨与植入体( 骨折内固定夹板螺丝、牙种植体等统称为植入体) 间构成一对摩 擦副，并在二者界面产生微米量级的相对运动( 即微动) ，极易发生微动损伤 最终导致植入体松动甚至断裂【1 9 , 2 0 l 。因此要研究生物体内的微动现象，不仅 仅要考虑通常微动实验所涉及的参数，还要考虑生物体这一特殊的环境对微 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 动的影响。 ( 4 ) 表面工程方面f 2 。表面机械强化：喷丸、滚压等机械表面处理通 过：j n - r 硬化提高表面硬度和形成压应力层。大量研究证实表面冷加工并不影 响接触动力学和表面损伤机制，只是阻止早期裂纹扩展，残余压应力使裂纹 扩展所需的实际应力更高，同时产生的粗糙表面也有利于储藏润滑剂【2 2 , 2 3 】。 现通常作为表面技术的预处理，以获得更佳的复合效果，例如目前喷丸处理 已成为钛合金航空部件抗微动疲劳表面处理的标准预处理方法【2 4 1 。扩散处 理和表面化学处理：扩散处理使钢件表层产生残余压应力，大大提高常规疲 劳强度，但并不一定最大程度地提高抗微动性能【2 引。最常用的是渗碳和氮化， 其中氮化和软氮化的效果明显高于渗碳。电沉积和化学镀技术：不同涂层 抗微动损伤性能差异较大瞪】。软金属涂层( 如镀a u 、a g 和c u 等) 因粘着而有高 摩擦系数，并能将接触副牢牢抓住，吸收了微动运动，有利于减缓微动损伤。 热喷涂技术：喷涂涂层用于抗微动磨损的情况多于抗微动疲劳，因为这些 涂层往往降低微动疲劳极限【2 6 1 。由于喷涂m o 涂层具有高熔点、硬的氧化膜 和边界润滑中有很好的含油特性等特点，已大量应用于汽车工业，该涂层通 过降低摩擦系数和应力松弛来提高微动磨损抗力。气相沉积技术：该技术 在微动摩擦学研究中占据重要位置，其中t i n 涂层是研究最多的涂层材料， 相对认识也最充分。t i n 涂层可有效提高抗微动损伤性能，但也有人认为p v d 涂层的残余压应力对微动疲劳寿命的提高较小【2 弛明。硬质薄膜不能塑性变 形，而基体的塑变可能导致涂层的断裂和破坏，因此t i n 涂层的微动磨损性 能对基体硬度和材料性质十分敏感，是不能忽略的问题【2 7 1 。高能密度处理： 近一二十年，激光束和离子束等高能密度处理表面技术得到迅速发展，在抗 微动损伤的应用中获得了成功。激光束淬火获得细马氏体组织，提高了强度 和硬度，从而提高微动磨损抗力。激光表面合金化应用于钢缆线【2 9 】获得了明 显的效果。对纯钛、铝等合金进行气体激光氮化和激光合金化等处理，都有 明显效果。离子注入在注入层形成压应力，增加了微动疲劳寿命。固体润 滑涂层抗微动损伤的研究主要集中在m o s 2 涂层和聚合物涂层。m o s 2 减摩涂 层可通过不同的表面处理工艺( 如磁控溅射、离子束辅助沉积和粘接涂层等) 制备，它表现出良好的抗微动磨损和微动疲劳性能2 2 ，2 6 ，3 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 扭动微动实例及研究现状 扭动微动是在交变载荷下接触副发生微幅扭动的相对运动【3 1 】。扭动微动 现象大量存在于机械装备和器械中，例如从4 0 0 0 余年前苏美尔文明时期受扭 动磨损的门斗【3 2 】( 图1 3 ) ，到机车车辆转向架与车体连接的心盘的磨损，再到 人体植入器械中的人工心脏瓣膜、髋关节和膝关节杵臼状接触区内发生的失 效【3 3 3 5 1 。 图1 - 3 苏美尔文明时期的门斗 1 2 1 工业中的扭动微动实例 在工业领域，扭动微动存在于很多机械系统中。比如在汽车的正常运行 中，球窝处会发生扭动微动。球头是汽车的关键安全件之一，它能保证汽车 操纵的稳定性，行驶的平顺性、舒适性、安全性及汽车正确、准确的行驶方 向，起到支承汽车重量，传递操纵方向力的作用。图1 - 4 ( a ) 为汽车转向器的部 分截图，图1 - 4 ( b ) ( c ) 为磨损后的的球窝。目前国内外汽车上使用的球头存在 易磨损、易松旷、力矩易丧失的缺点。例如在2 0 0 6 年8 月1 日克莱斯勒在全球 召回8 0 万辆s u v ，被召回汽车存在的主要问题是前悬架球窝接头处有可能过 度磨损并松开。而早在2 0 0 3 年1 1 月，克莱斯勒公司就因球窝接头存在缺陷而 宣布召回3 0 多万辆2 0 0 2 至2 0 0 3 款l i b e r t y l 3 6 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( a ) 汽车转向器的球窝 ( b ) 损伤后的球窝( c ) 磨损后的球窝 图1 4 汽车球窝接头 1 2 2 关节中的扭动微动实例 肩关节是由半球形的肱骨头和肩胛骨的关节盂构成的球窝关节( 图1 5 ) 。 肱骨头呈球形，面积大，关节盂为椭圆形浅凹，面积小，仅能容纳关节头的 1 4 1 3 。肩关节是全身最灵活的球窝关节，可沿三个互相垂直的运动轴作屈、 伸、内收、外展、旋转以及环转等运动。屈伸运动如跑的前后摆臂动作：外 展内收运动如直立飞鸟动作；旋内旋外如武术勾手亮掌动作；环转如武术轮 臂动作；水平屈伸如扩胸运动。 杵臼关节与捣蒜的杵臼几乎一模一样，由一个很深的关节窝包绕着大部 分的关节头，其活动方向虽然与球窝关节相似，但因“杵”陷入“臼”中过深， 因此活动范围也相应受到限制。髋关节是典型的杵臼关节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 m 一一 a c e t a b u l u m 。 瓣 图1 5 肩关节示意图 图1 - 6 髋关节示意图 髋关节由髋骨和股骨头所组成( 图1 - 6 ) 。外有关节囊和髂骨韧带包裹。髋 臼较深，几乎容纳了整个股骨头，所以是一个比较稳定的关节。杵臼关节虽 然活动度远不如肩关节那么广泛，但在支撑身体和下肢活动的走、跑、跳跃 等方面起着极其重要的作用，尤其在人们健身锻炼时，无论是跑步、器械、 健美操等等都有举足轻重的作用。 1 2 3 研究现状 根据文献调研，目前世界上对扭动微动的研究较少。英国帝国理工学院 的b j b r i s c o e 等【3 7 。4 0 】利用图1 7 装置，通过改变a 角，研究了p m m a 盘与钢球 在纯滚动、纯扭转以及下不同接触动力学条件下的微动磨损行为。当a = 0 。， 接触状态为纯扭动状态；当a = 9 0 。时，接触状态为纯滚动状态。 ( a ) 扭动一转动磨损试验机( b ) 接触示意图 图1 7b j b r i s c o e 试验装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在滚动条件下，只有很少量磨屑被排出接触区，磨损量较低。在接触区 中心形成一条垂直与滑动方向的波纹状结构。其形成过程为：试验初期( 1 0 0 次循环) ，接触区中心形成一些薄片状的磨粒。循环次数增加，磨屑颗粒形成 几个较窄的波纹。循环次数继续增加，几个较窄的波纹合并形成一个较大的 波纹。纳米压痕实验表明，被压实形成的波纹状结构，它的机械性能( 硬度、 模量1 与基体p m m a 的相似，其原因可能与压实的第三体对接触区承载能力 的影响有关。 扭动接触条件下，磨痕呈半球形，且中心无波纹状结构。在试验初期， 磨屑颗粒以片层状的形式形成，随循环次数增加，磨粒分散在整个接触表面， 形成压实的第三体层。磨损表面出现径向的裂纹。当接触条件从滚动变为扭 转时，磨损体积迅速下降。 当倾斜角从0 = 0 0 增加到9 0 0 ，接触条件从扭动到滚动转变，磨痕的形貌 差别较大。当0 = 0 0 ，几乎没有磨粒的堆积，磨痕呈半球状。0 = 5 0 ，少量磨 屑预先堆积在磨痕中间。0 = 3 0 0 ，磨粒堆积，并在接触中间压成隆起的波纹。 当0 = 9 0 。，波纹逐渐合并，且高度增加。 b j b r i s c o e 通过在p m m a 材料上放置应变计，测量在扭动、滚动以及介 于两者之间的条件下材料表面的应变变化。应变片可以测量不同接触条件下 的摩擦系数；确定微动条件下接触条件的本质。纯扭动条件下，由力学分析， t 一是仅有的表面应力，且呈轴对称分布，如图1 - 8 ( a ) 所示。因此4 个应变计 放置在主应力方向上( 即径向+ - 4 5 0 方向) 可测量t 胡。微动图以7 t 。矿矽关系描述。 结果发现，角位移幅值0 5 。，e 殛的分布趋 向一致。这与实验结果比较相似。 1 3 人工关节摩擦学研究现状 英国的j o h nc h 锄l e y 在1 9 6 3 年首先报道全髓关节置换手术治疗类风湿性 髋关节骨性关节炎。他利用不锈钢制作2 2 2 5 m m 直径的股骨头，以聚四氟乙 烯( p t f e ) , t 作髋臼，用聚甲基丙烯酸甲酯( 骨水泥) 固定，形成c h a m l e y 型 低摩擦全髋关节假体，奠定了现代人工关节置换术的基础【4 1 1 。自此以后，人 工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛、重建关节功能的重要手 段。图1 9 为人工髋关节置换的示意图。目前，全世界每年因各种疾病需要更 换关节的人数高达4 0 0 0 万6 0 0 0 刀- a t 4 2 1 ，仅全髋关节置换就达8 0 万例【4 3 j 。其 中在关节炎晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中，人工关节置换术已成为 一项常规外科手术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图1 - 9 髋关节置换示意图 自从第一例c h a r n l e y 型低磨损人工髋关节运用于临床实际以来，人工关 节置换技术迅速发展。医学实践表明，关节材料性能及其生物摩擦学特性对 于关节使用质量及临床寿命起着决定性的作用。因此，人们在这方面开展了 大量的研究工作。这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使 用年限提供了强有力的理论支持和技术保障m 】。 从临床医学来看，人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足 以下几点要求： 生物相容性好。生物材料和人体组织接触后，在材料一组织界面发生一 系列相互作用后最终被人体组织所接受的性能1 4 引。且材料对人体的正常生理 功能无不良影响、无毒、无排异反应等。 生物力学相容性好。要求在负荷情况下，材料与其接触的组织所发生 的形变彼此协调。因人工关节在体内所承受的应力，通过人工关节材料一组织 界面进行传递，如果两者在应力作用下发生弹性变形不匹配，则将使人工关 节松动而导致植入失败。为此，人工关节材料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能 及其强度应尽量一致。 生物结合性能好、固定好。即要求人工关节与周围的骨组织结合良好、 不发生相对移动和下沉等。 材料耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀性好，几乎不产生磨损碎屑。人工关节 1 年内要反复承受1 5 3 5 x 1 0 6 周次、且数倍于人体体重的负荷，故材料要有足 够的疲劳强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 3 1 生物摩擦学的特点 d o w s o n s f d w r i g h t 教授于1 9 7 3 年提出了生物摩擦学的定义，指出其研究内 容为与生物系统相关的所有摩擦学问题【4 6 1 。生物摩擦学的研究对象是生物机 体内部的器官或生物材料( 人工植入体或与生物组织相接触的具有生物相容 性或生物降解性材料) ，是一门新兴的边缘和交叉学科。它运用物理、化学、 数学、材料科学和工程等方面的知识来分析研究和解决生物医学问题，其目 的在于研究摩擦磨损机理和失效机制，以便采取相应对策和措施，延长其使 用寿命【4 似引。 与一般摩擦学问题相比较，生物摩擦学除了鲜明的学科交叉性外，还有 以下几个特点。 ( 1 ) 存在的普遍性。虽然目前尚未看到涉及微生物的摩擦学问题的有关 报道，但生物摩擦学问题在动植物领域非常普遍。 ( 2 ) 生物活性。与摩擦学问题相比，生物摩擦学问题的一个显著特点就 是生物相容性和活性问题，表现出自我适应、自我修复的功能。体内的关节 液在各种微循环、交换中保持优良的润滑特性；牙齿在不断的摩擦磨损中， 其表层不断产生具有高硬度的钙化层；不少动物如鱼类、土壤类动物的肌体 表面可以分泌一些特殊的体液，用于降幅减阻作用；人体手掌和足底摩擦部 位的皮肤的厚度，随着运动量和时间的增加而变厚，以适应抵抗摩擦磨损的 需要。 ( 3 ) 独特的材料显微组织和结构。动物内的不同器官或一些动植物的表 面通常具有一种独特的材料显微组织和结构，以适应不同功能的需求。例如： 天然牙由较硬的牙釉质、较软的牙本质和牙髓组成，牙釉质中还分布着辐射 状的牙釉柱，这种外硬内软的结构不仅具有耐磨性，可以起到缓解冲击的作 用；贝壳表面分布粒状或球状增强相，用以在沙石等爬行中起到抵抗磨损、 保护肌体的作用。 ( 4 ) 奇异的表面形貌。许多土壤动物的表面为几何非光滑结构或具有协 同柔性变形的能力，以起到减少粘着、降低阻力的作用。例如贝壳、蚯蚓和 穿山甲。 纵观国际生物摩擦学近4 0 年的发展历程，发现：涉及的生物主要是人 类，其他动物和植物等研究很少。在生物摩擦学基础理论和应用领域