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浙江工业大学硕士学位论文 中碳钢接触形式对微动疲劳的影响研究 摘要 微动疲劳现象在机械行业，特别是核工业和航空工业领域大量存在。相比普通疲劳， 微动疲劳由于微动作用，易造成接触表面摩擦磨损，从而加速裂纹萌生和扩展，使机械 构件因微动疲劳而提前断裂失效，造成重大事故和经济损失。 本文选取中碳钢4 5 号钢通过微动疲劳实验、微动接触面显微观察和微动模型有限 元模拟全面分析研究了面接触和线接触这两种接触形式对微动疲劳的影响。本文的主要 工作和成果如下： 1 设计了桥脚面分别为平面、半径4 0m m 和7 0m i l l 圆柱面的微动桥，带有两平行 平面的试样，结合岛津试验机实现了接触形式为面接触和线接触的微动疲劳实验。 2 建立了与三种微动模型相应的有限元模型，并验证了有限元模拟计算的准确性及 可行性。通过大量有限元模拟计算得到了实验载荷，使得本文接触形式的比较有同一个 基础，即基于相同的循环应力幅。 3 通过微动疲劳实验，得到了各试样在不同接触形式下的微动疲劳寿命，拟合出相 应循环应力幅品与微动疲劳寿命之间的关系曲线和关系式。对比分析得出，接触形 式的不同对微动疲劳寿命有较大的影响。 4 观察了试样微动接触表面，对照微观形貌，探讨了微动磨损过程和机理。对比面 接触和线接触的微动磨损面，显微观察显示，相比面接触，线接触下的磨损面更加光亮 平整。 5 运用有限元计算结果，分析了试样微动接触面在同样的循环应力幅下，不同接触 形式对应的应力、应力幅分布情况，并得出了应力幅对裂纹的萌生和扩展起主要作用。 本文从宏观到微观分析了接触形式对微动疲劳的影响，并得出了一些结论。本课题 还可以结合普通疲劳寿命理论及断裂力学进行量化研究，对微动区域的应力分布与寿命 的定量关系做进一步研究。 关键词：微动疲劳，接触形式，疲劳寿命，微动磨损，有限元分析 浙江工业大学硕士学位论文 i n f l u e n c e o fc o n t a c tc o n f i g u r a t i o no n f r e t t i n gf a t i g u eb e h a o ro f m e d i u nc a r b o ns l e e l a b s t r a c t t h ef r e t t i n gf a t i g u ef a i l u r ew i d e l ye x i s t si nt h em e c h a n i c a l ，e s p e c i a l l yn u c l e a ri n d u s t r y a n da v i a t i o ni n d u s t r y t oc o m p a r ew i t ht h eo r d i n a r yf a t i g u e ，f r e e i n gm a yc a u s et h ef r i c t i o n a l w e a l a n da c c e l e r a t et h ec r a c ki n i t i a t i o na n de x p a n s i o n ，t h e nm a k et h em e c h a n i c a lp a r tf a i l u r e e a r l i e rt h a nt h ee x p e c t e dl i f e ，l e a d i n gt ot h em a j o ra c c i d e n ta n de c o n o m i cl o s sa tl a s t m e d i u mc a r b o ns t e e l4 5 - c a r b o ns t e e lw a ss e l e c t e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h es u r f a c e c o n t a c ta n dl i n ec o n t a c to nb e h a v i o ro ff r e t t i n gf a t i g u e ，i n c l u d i n gt h r e ea s p e c t s ：f r e t t i n g f a t i g u et e s t ，m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o no ft h ef r e t t i n gs u r f a c e , t h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i so f c o n t a c tm e c h a n i c s t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et i e r i n gb r i d g ew i t hp l a n e ，r a d i u s4 0 m m ，7 0 m mc y l i n d r i c a lf o o ts u r f a c e ，a n dt h e e x p e r i m e n ts a m p l e sb yt w op a r a l l e lp l a n e sw e r ed e s i g n e d c o m b i n e dw i t hs h i m a d z uf a t i g u e t e s t e r , t h ef r e t t i n gf a t i g u et e s tw i t hd i f f e r e n tc o n t a c tc o n f i g u r a t i o nw a sp r o c e s s e ds u c c e s s f u l l y 2 t oe s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dv 嘶匆t h ea c c u r a c ya n d f e a s i b i l i t y t h r o u g ht h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n , f i n dt h eb a s ef o rc o m p a r i n g , i t i sc y c l i cs t r e s sa m p l i t u d e 3 t h ef r e t t i n gf a t i g u e & - nc u r v e so f4 5 - c a r b o nu n d e rd i f f e r e n tc o n t a c tc o n f i g u r a t i o n h a sb e e no b t a i n e db yf r e t t i n gf a t i g u et e s t ，t h er e s u l to fc o m p a r a t i v ea n a l y s i si n d i c a t et h a t d i f f e r e n tc o n t a c tc o n f i g u r a t i o nm a y b r i n gg r e a t e ri n f l u e n c et of r e t t i n gf a t i g u el i f e 4 c o n t r a s tw i t ht h em i c r o s c o p i ca p p e a r a n c eo fc o n t a c t i n gs u r f a c e ，t h ep r o c e s sa n d m e c h a n i s mo ff r e t t i n gw e a rw e r ed i s c u s s e d ，c o m p a r e dw i t hs u r f a c ec o n t a c t ，t h ef r e t t i n g w e a r i n gs u r f a c eo f l i n ec o n t a c tw a sm o r e b r i g h ta n dc l e a n 5 w i t ht h es a m ec y c l i cs t r e s s a m p l i t u d e ，t h es t r e s si n t e n s i t ya n ds t r e s si n t e n s i t y a m p l i t u d eo nc o n t a c t i n gs u r f a c eu n d e rd i f f e r e n tc o n t a c tc o n f i g u r a t i o nw e r eg i v e na n a l y s i s ， a n di tw a sf o u n dt h a ts t r e s sa m p l i t u d ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec r a c ki n i t i a t i o na n d e x p a n s i o n 1 1 1 ep a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n t a c tc o n f i g u r a t i o no i lt h eb e h a v i o ro f f r e t t i n gf a t i g u ef r o mm a c r o s c o p i ct om i c r o s c o p i c ，a n do b t a i n ss o m ec o n c l u s i o n c o m b i n i n g w i t ho r d i n a r yf a t i g u el i f et h e o r ya n df r a c t u r em e c h a n i c s ，f u r t h e rr e s e a r c ho nq u a n t i f i c a t i o n a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nc o n t a c ts u r f a c ea n df a t i g u el i f ec a nb e c a r r i e do u t i i i a b s t r a ( 了r k e yw o r d s ：f i ! e t t i n gf a t i g u e ，c o n t a c tc o n f i g u r a t i o n ，f a t i g u el i f e ，舶t t i n gw e a r , f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 概念 微动【1 】是二接触表面的极小振幅( 微米量级) 的运动，通常发生在一个振动环境下 的近似配合的接触表面。微动通常可分为微动磨损、微动疲劳、微动腐蚀。微动磨损【l 】 是指两个受压的物体承受微小的相对滑动时，两接触面上的材料在摩擦作用下受到机械 损伤的现象。微动疲劳【2 1 是指构件在有微动磨损时的疲劳强度和疲劳寿命问题。 已经知道，只要有十分之一微米的表面相对滑动距离，就可以造成表面的微动损伤 3 1 ，由于滑动距离小，长期以来人们并没有察觉。也由于滑动距离小，微动磨损更具有 了独特的性质，例如磨屑不易逸出。而滑动距离太大就不会具备这样的性质，也就不是 微动磨损，而是普通的大滑动摩擦磨损。对于微动滑动幅度上限的界定，长期以来并不 明确，d w h o e p p n e r t 4 】对微动损伤的定义为交变载荷在接触处产生的相对滑移一般小于 3 0 0 p m 。 机械系统和工程设备服役于交变载荷或机械振动下( 如拉一压、弯曲、扭转及其合 成载荷等) ，导致构件接触表面之间产生相对微小幅度的滑动，这种重复的滑动就是微 动，交变载荷与微动共同作用下，能促使接触表面产生疲劳裂纹并扩展，最终导致构件 在大大低于材料疲劳极限，甚至在低于材料弹性极限时失效，这一现象被称为机械构件 的微动疲劳或材料的微动疲劳【l 】。 1 1 2 研究意义 微动疲劳的存在在各个领域比较普遍，是造成核能、航空、铁路、船舶、桥梁、化 工、电信、人工植入器官等工程结构失效的主要原因，也是导致机械结构中一些关键部 件失效的主要原因，所以在工业界有人把它称为“工业癌症”【2 】。 微动疲劳会加速受微动作用构件的接触处表面及表层裂纹的萌生和扩展，从而大大 降低部件的疲劳寿命，甚至造成灾难性事故。过去的研究表明，对长寿命的构件，微动 会使其疲劳寿命降低3 0 以上，严重的甚至降低8 0 。因此研究微动磨损机理、微动疲 劳寿命具有极大的工程意义。 第1 章绪论 1 2 微动疲劳的发展历程 微动研究经历了三个阶段【5 1 ： 阶段1 ：微动现象的发现及早期理论的建立( 1 9 1 1 年 2 0 世纪5 0 年代) 。1 9 1 1 年 e d e n e 6 ，r o s e 和c u n n i n g h f l i r t 首次观察到了微动和疲劳的联系，但未作相关解释和深入 研究。1 9 2 7 年t o i i l l i n s o n 【。7 】提出了一种微动机理，并在其研究报告中首次出现了“f r e t t i n g 一词。1 9 4 9 年m i n d l i n 首次将接触力学引入微动疲劳领域，为微动力学分析奠定了基础。 1 9 5 3 年f e n g 提出的化学机械理论以及1 9 5 4 年嘶曲提出的磨损速率变化理论，推动了 微动疲劳研究的进一步发展。 阶段2 ：微动疲劳的发展阶段( 2 0 世纪5 0 年代2 0 世纪8 0 年代) ，1 9 6 9 年n i s h i o k a 等【8 】设计了一种微动疲劳实验模型，并对该模型的试件微动疲劳寿命进行了预测。1 9 7 2 年和1 9 8 1 年w a t e r h o u s e 【9 1 0 1 在先前研究成果的基础上出版了两部关于微动的专著 ( ( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ) 和( ( f r e t t i n gf a t i g u e ) ) 。1 9 8 8 年，v i n c e n t 和g o d e t 1 i i 等提出了速度 调节理论。在这一段时期，对微动疲劳和微动损伤机理的研究更加全面系统和深入，相 关研究的论文数量有很大的猛增。 阶段3 ：微动疲劳的繁荣阶段( 2 0 世纪9 0 年代现在) ，这段时期，相关的研究 论文出现了猛增，g o d e t 1 2 】在1 9 9 0 年提出了关于微动磨损的三体理论。两年后，z h o u 等【1 3 】提出二类微动图理论，揭示了材料损伤规律和微动运行机制，对微动疲劳的发展做 出了重要贡献。在具体材料和结构的微动损伤方面：1 9 9 8 年，m a t t h e wps z o l w i n s k i 掣1 4 1 观察、分析和预测了2 0 2 4 t 3 5 1 铝合金的微动疲劳行为。l e e 等【”1 研究了不同材料的微 动接触对t i 6 a l 4 v 钛合金微动疲劳的影响。2 0 0 6 年，m a s s i n g h a m 等【1 6 1 研究了在圆柱 面接触条件下不同载荷对接触面应力分布的影响。2 0 0 7 年，j a c o b 等【1 7 】通过理论和实验 研究了微动作用对7 0 7 5 一t 6 铝合金疲劳裂纹萌生的影响。随着数值计算的发展，在应力 分析方面也取得了不错的进展，h a r i s hg a n a p a t h y 等【l8 】在1 9 9 7 年建立了蒙皮铆钉微动 接触的有限元接触模型，模拟计算了应力分布情况同时对裂纹萌生位置及时间进行了预 测。b r o o k s 等【1 9 】在2 0 0 3 年建立了航空结构件微动疲劳模型。t o s h i oh a t t o r i 等【2 0 】在2 0 0 6 年研究了微动磨损对微动疲劳强度的影响关系，s e r g i om u n o z 等【2 i 】在微动疲劳强度的估 算方面引入了断裂力学方法。j d i n g 等f 2 2 】在2 0 0 7 年运用有限元方法模拟分析了磨屑在 微动磨损方面所起的作用。 我国开始研究微动疲劳比较迟，不过最近十几年来我国微动摩擦学研究室也逐渐增 2 浙江工业大学硕士学位论文 多，到目前为止已经有2 0 多家研究所开展了此方面的研究工作。近几年我国在微动损伤 研究方面也取得了不错的研究成果，但由于研究时间短，与国外的研究水平还是有一些 差距，所以无论从理论研究还是工程实际应用方面，我国都需要继续深入进行微动疲劳 方面的研究。 1 3 微动疲劳的研究现状及趋势 1 3 1 微动疲劳的影响因素 影响微动疲劳过程的因素很多，涉及到力学、物理、化学和材料等学科，其损伤演 变过程十分复杂【2 3 1 ，据统计影响微动疲劳的因素多达5 0 多个。主要影响因素归纳如下： 微动振幅：微动振幅指两个零件发生微动时，局部接触表面之间的切线位移幅。 v i n g s b o 署1 s o d e r b e r g 2 4 】在研究低碳钢位移幅和剪应力的影响时，发现在微动振幅小于某 个微动振幅时，材料的微动疲劳强度随这个微动振幅的增大而下降；而当微动振幅大于 这个微动振幅时，其微动疲劳强度基本保持不变，甚至有所提高；当微动振幅等于这个 微动振幅时，微动疲劳强度达到最低值，这个转折的微动振幅即为临界微动振幅。 接触压力：a d i n a z o r i $ 1 1 h o e p p n e r t 2 5 】通过对7 0 7 5 t 6 铝合金和t i 6 a 1 4 a 合金的研究 发现，当正应力达到一定值后，正应力对微动疲劳的影响微乎其微；n a k a z a w a 等【2 6 】进一 步研究发现，随着接触压力的增加，起初微动疲劳强度随之下降，而到了一定程度后并 不再下降，即使再加大接触压力也不会对微动疲劳强度产生新的影响。 循环应力：外部循环应力对寿命的影响是主要的，是构件疲劳寿命的关键因素。 w a l l a c e 和n e u 2 刀研究了循环应力幅及其他微动加载因素对t i 6 a 1 4 a 合金微动疲劳寿命 的影响，发现外部循环应力对寿命的影响最大，寿命随外部应力的增加而降低。 载荷频率：频率低，对于一定的寿命则所需经历的时间会延长，在寿命期内环 境因素及其他作用影响会体现的更加明显。低频率为扩展已经萌生的裂纹提供了相对较 多的时间：其他影响因素都一致，频率低则会引起摩擦力增大。综合可见，低频率会导 致微动疲劳寿命的降低。 环境介质【2 8 2 9 】：一些金属材料，如铝合金，受大气作用，表面会形成一层具有 保护功能的氧化膜。微动磨损作用会不断破坏表层氧化膜，而同时环境介质又不断渗入 与新鲜金属基体发生腐蚀反应，此循环过程进行的结果就是大大加速了材料损伤失效的 进型3 0 1 。 第1 章绪论 1 3 2 微动疲劳实验模型 微动疲劳实验模型有多种形式，最早用于微动疲劳试验的接触形式主要是桥式微动 块产生平面一平面接触，如图1 - 1 ( a ) 所示，此模型一直流行至今。2 0 世纪六七十年代， n i s h i o k a 和h i r a k a w a 8 】发表了一系列文章，他们采用了另一种完全不同的接触几何，即 圆柱形微动块与平板试样接触，如图1 - 1 ( b ) 所示。还有一些模型则近似真实构件，如燕 尾榫联接模型，如图1 1 ( c ) 所示。也有一部分研究者正是使用了这种接触形式进行了一 系列微动疲劳试验研究。 ( a ) 桥式微动块 一苫l ( b ) 柱形微动块( c ) 燕尾榫联接 图1 1微动疲劳试验微动模型 1 3 3 微动疲劳裂纹萌生特性及寿命的理论研究 随着微动疲劳实验研究的大量进行，很多研究者也开始转向向理论研究，理论研究 主要以研究微动磨损机理、裂纹萌生特性和微动疲劳寿命为主。19 8 9 年由何明鉴等人首 次提出了综合参数g 判断法【3 1 1 ，其主要观点为微动作用对疲劳裂纹萌生点的位置及萌 生有很大的影响，而对以后的裂纹扩展影响则较小。研究结果表明，综合参数g 取最大 值的位置即是裂纹萌生和扩展点的位置。s m i t h 等人提出了s w t 方法【3 2 】，s w t 准则是 基于高、低周应变疲劳寿命方程并考虑平均应力对疲劳寿命的影响而提出的。后来 l y k i n s 等人在基于最大剪应力范围临界面的平面疲劳数据用类似于w a l k e r 方法提出了 整合方程，计算了初始剪应力比对临界面的影响，提出了m s r 参数 3 3 】用来判断微动裂 纹的萌生界面。 在实验的研究基础上s z o l w i n s k i 等【3 4 】对常规的疲劳寿命计算式b a s q u i n 公式和 c o f f i n m a n s o n 公式进行了修正，建立了定量分析微动疲劳寿命的模型，得出了微动疲 劳裂纹的形成和短裂纹的扩展将消耗掉微动疲劳总寿命大部分的结论。也有研究者用到 了断裂力学方法进行估算微动疲劳寿命，h i l l s e 3 5 】提出的模型是把预测裂纹成核的持久滑 移带概念与局部微凸体水平相关联，在晶相量级上对成核过程进行了物理假设。n i c h o l a s 4 ， 揪工工业大学硕士学位论文 和g o l d e n 等【3 6 - 3 7 也用断裂力学的方法研究了微动疲劳的强度和寿命问题。 1 3 4 数值方法在微动疲劳研究中的应用 常规接触疲劳通常起源于接触区的局部应力集中，在反复摩擦作用下，亚表面的剪 应力引起材料发生塑性变形，最终萌生疲劳裂纹，所以研究接触区的应力分布规律是定 量分析接触疲劳失效的先决条件。微动疲劳裂纹取决于接触表面的摩擦力和平行接触面 的循环轴向力的共同作用，接触区域的弹塑性应力状态是疲劳裂纹萌生和扩展的主要控 制因素【3 8 1 。m c v e i g h 等 3 9 】建立了微动疲劳的有限元模型，真实地模拟t m i n d l i n 解析解的 加载运行工况，最后的计算值与理论值吻合很好。g i a n n a k o p o u l o s 等m 】对微动接触疲劳 区域进行了3 维弹塑性有限元分析，建立了相应的模型，研究了外部拉压载荷对应力分 布和界面摩擦的显著影响，得到了比较满意的结果。所以到现在已经有越来越多的研究 者都采用有限元法来计算接触区域上的应力情况。目前的有限元分析软件中，a n s y s 和m a r c 具有最强的处理非线性功能，已被许多研究机构用于应力分析。 1 3 5 微动疲劳研究的发展趋势 2 1 世纪以来，微动疲劳的研究转入到了更加具体和实际的理论分析和工程应用中， 可将微动疲劳发展状况和未来趋势综述如下： 基础研究。从工业微动破坏现象观察、单一试验参数影响、平移微动模式，分 别转向破坏机理实验分析、综合机械材料参数( 如位移、压力、频率、材料组织结构、 力学性能等) 影响、其他微动模式( 如径向、滚动、扭动、冲击等模式) 、复合微动等 的研究【4 l 】。 理论分析。在h e r t z 弹性接触理论上，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) 等研究手段来模拟研究微动的运行和破坏过程 已越来越成主流。 同时在新材料、环境的影响、防护措施、工业应用等方面的研究也将变得越来越普 遍。 1 4 微动疲劳接触形式的研究进展及存在问题 1 4 i接触形式对微动疲劳的影响研究进展 微动疲劳通常存在于铆接、螺栓连接、销连接及花键连接的紧密配合件中，据统计， 5 第1 章绪论 在飞机上，微动疲劳是发动机涡轮叶片榫头断裂的常见原因。在过去的研究中，微动疲 劳的大部分研究都是基于实验基础上的，所以实验模型的设计也是很多研究者研究的内 容。前面已经介绍过前人研究微动疲劳所使用的一些实验模型，大部分都能在各个易产 生微动疲劳的场合得到应用，不同的实验模型构成了不同的接触形式。 从一开始使用的平面一平面接触到后来n i s h i o k a 和h i r a k a w a 【8 】使用的圆柱面一平面 接触，以及模拟真实工况条件下的燕尾榫联接模型，很多研究者都对这些接触形式进行 了研究，后来随着有限元数值分析技术的应用，微动疲劳研究也逐渐进入了理论阶段。 j i n 和m a l l 4 2 】等人研究y t i 6 a 1 4 v 材料的微动垫结构在不同位移下的微动疲劳行为，通 过控制微动垫不同位移而全面研究了微动磨损的机理和微动疲劳的特性。p a p e 和n e u 4 3 】 通过对不同接触形式的微动疲劳研究，得出微动疲劳比普通疲劳性能降低4 0 ，同时还 分析了它们的应力分布状况、摩擦力影响、应力比的影响等。f a d a g 和m a l l 4 4 等人对平 面一平面和柱面一平面的微动接触进行了实验和有限元分析，得出接触压力、摩擦系数、 切应力对裂纹萌生等的影响效果。在有些实验难以模型的工况下，也有研究者直接用有 限元建模来模拟分析，t u r 和f u e n m a y o r 4 5 l 等人直接建立了三维模型，并对其进行有限元 分析。这对有些复杂的微动疲劳接触形式提供了一个可行的研究方法。f r e d e r i cl a n o u e 和a u r e l i a nv a d e a n t 4 6 】等人也运用了建立三维有限元模型的方法对过盈配合中微动疲劳 强度进行了研究，并用这个例子分别对4 种接触算法的可行性进行了验证。 1 4 2 存在问题 但是对于接触形式对微动疲劳的影响，仍存在着一些问题。已经知道，影响微动疲 劳的因素有很多，主要包括循环应力、接触应力、外部环境、载荷频率等，虽然根据前 人的研究，单一的接触形式对微动疲劳的影响已经有了一些了解和认识，但是对于同样 的外部条件下，这两种接触形式的影响关系及程度还是不了解的，包括整个微动过程中 表现出的一些不同特征，特别是对于最终寿命的影响大小。同时，实验与理论分析的结 合做的还不是很完美，接触形式以及模型尺寸大小的不同必然导致接触区域应力应变状 况的不同，而应力应变状况的不同最终会导致整个疲劳寿命的差异，因此接触形式和模 型尺寸与寿命之间存在必然的关系，而到目前为止，对这种关系的研究无论从实验还是 理论上的都还是很少。所以还需要对接触形式对微动疲劳的影响进行更全面的研究分析 和探讨。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本文主要的研究内容 相比普通疲劳，微动疲劳是在普通疲劳的基础上增加了微动作用，正是由于此微动 作用，导致了材料的微动疲劳强度降低很多，严重的降低一半以上。 影响微动疲劳的因素很多，其中微动接触形式是一个影响微动疲劳寿命的主要因 素。实际使用的微动接触形式很多，但基本上可以归结为三类，即面接触，线接触和点 接触形式，它们对微动疲劳的影响是不一样的。因此本文接触区域循环应力幅以及其他 外部条件都相同的的前提下而接触形式不同进行对比实验，在实验结果的基础上，拟合 出微动疲劳寿命曲线，然后结合有限元数值分析，得出应力应变以及几何尺寸大小跟微 动疲劳寿命的影响关系，从而对不同接触形式下的微动疲劳寿命进行全面的研究。具体 内容如下： ( 1 ) 微动疲劳实验试样和实验载荷的设计 本文研究了中碳钢的微动疲劳性能，选取4 5 号钢为实验对象。为了实现微动工况， 在普通疲劳实验的基础上，设计不同的微动装置，来完成不同接触形式下微动疲劳实验， 根据实验条件下的刚度和强度校核各设计装置。确定实验方案，建立有限元模型，运用 有限元模拟计算，设计根据在同一循环应力幅条件下进行实验的实验思路，确定每个试 样所需要的实验载荷。 ( 2 ) 微动疲劳实验 本次微动疲劳实验在岛津试验机e h f e d 2 5 0 4 0 l 上完成。在前面设计的实验载荷 下，实验分为三组，分别为面接触，圆柱面半径为4 0m m 和7 0m m 的两组线接触，通 过实验结果，拟合出各组条件下的微动疲劳寿命，比较三组实验结果，得出接触形式对 微动疲劳寿命的影响关系。 ( 3 ) 微动磨损面的微观观察及不同接触形式下的微动磨损特性探讨 采用金相显微硬度仪( h w v - r r ) 对实验后的试样进行观察，对不同接触形式条件 下的实验试样，观察接触磨损区域微观形貌、磨损区域表面裂纹特征，探讨不同接触形 式下微动作用造成的不同特征及对寿命的影响关系。 ( 4 ) 微动模型数值模拟及分析 在实验研究的基础上，通过a n s y s 建立微动接触的有限元模型，通过模拟计算， 分析各个载荷步下接触区域表面应力情况以及不同接触形式对应力情况的影响情况。根 据前人的研究可知，微动疲劳的大部分寿命由裂纹萌生期和裂纹扩展初期组成，因此分 析此过程是主要的，数值分析力求从力学的角度解释不同接触形式下的裂纹萌生特性和 7 第1 章绪论 微动疲劳寿命的关系。 1 6 本文结构 本文内容总共分六章进行论述： ( 1 ) 第一章为绪论部分，介绍了微动疲劳的背景、研究现状、发展趋势和本文的 研究内容； ( 2 ) 第二章为实验装置的结构设计及其校核； ( 3 ) 第三章介绍了接触问题的相关理论，建立了与微动模型相对应的有限元模型 并对其进行验算，验证了有限元模型模拟计算的准确性和可行性。简述了实验思路，运 用有限元设计了微动疲劳实验载荷； ( 4 ) 第四章对微动疲劳实验结果进行处理，得到了不同接触形式的循环应力幅 与微动疲劳寿命之间的关系曲线和关系式。对微动接触表面显微观察，讨论了微动磨 损过程和机理，比较了线接触和面接触下微动磨损的微动接触面形貌： ( 5 ) 第五章对线接触和面接触的的微动模型进行了力学分析，在微动疲劳实验的 基础上，通过模拟计算试样微动接触面的应力场及应力幅分布情况，详细讨论了接触形 式对他们的影响，并与实验结果相互验证，对实验结果有了更深的认识； ( 6 ) 第六章为论文的总结部分，包括结论和展望两部分内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章微动疲劳实验装置设计 微动疲劳存在于机械行业的各个领域，常常造成关键零部件的失效而引起重大事 故。微动疲劳条件复杂，产生的方式也不一致，因此影响因素也很多，导致了在微动疲 劳研究中实验装置的多样性。本文通过实验研究了不同接触形式对于中碳钢微动疲劳特 性的影响，根据设计，本实验产生微动的方式为自生微动，在岛津微机控制电液伺服静 动态材料试验机e h f e d 2 5 0 k n - 4 0 l 完成。 本章主要包括了微动接触模型的介绍及实验微动接触模型的选择，微动试样的结果 设计，微动桥的结构设计及校核和微动疲劳实验装置的装配。 2 1 微动接触模型 在微动疲劳实验研究中通常有三种接触形式：球形垫与平面试样接触、圆柱垫与平 面试样接触以及平面垫与平面试样接触，分别构成了点接触、线接触以及面接触三种微 动接触形式。 对于球形垫与平面试样接触结构，接触区域的应力场用垂直剪切力来描述比较合适 【4 7 1 ，对于球面与平面接触产生的微动，微动裂纹常开始于滑动带内，靠近接触区域与非 接触区域的交界处【4 8 】。圆柱面与平面试样接触结构对于分析裂纹萌生和扩展是比较理想 的，而且相比较另外两种接触结构，实验过程中该结构观察磨屑的溢出等微动特有的现 象是最方便的。点接触和线接触这两种形式，其表面及附近体内的应力场可用传统的 h e r t z 理论【4 9 】来描述。平面与平面试样接触结构是最早应用于微动疲劳实验研究的接触 结构，绝大部分的微动垫采用的是桥式，因此也称微动桥。平面垫在与平面试样的接触， 理论上在接触边缘会产生应力奇异现象，应力情况比较复杂，但在实际过程中，微动桥 和试样间会发生变形而减轻这种奇异。另外，平面与平面接触模型，在实验中必须面对 的一个问题是实际装配比较难达到理想状态，理想的状态应该是微动桥平面与试样平面 完全平行，接触区域的受力情况完全一致，但由于微动桥的结构特点及材料的性能，这 种理想状态很难达到。不过实际工程中这种接触结构比较普遍，而且采用此接触模型研 究的成果对实际工程还是有重大意义的。 9 第2 章微动疲劳实验装置设计 本文选择圆柱面与平面试样接触和平面与平面试样接触形式进行微动疲劳的研究， 其四分之一接触模型简图如图2 1 ，图2 2 所示。微动产生原理：微动桥上垂直压力p 保持不变，试样受轴向循环载荷盯作用而反复伸长与收缩，从而在微动桥与试样接触表 面产生了微动作用。 尸 l， 图2 1 圆柱面平面微动接触模型 图2 - 2 平面一平面微动接触模型 2 2 微动实验试样设计 本文微动疲劳研究的材料为中碳钢，实验试样和微动桥都选用4 5 号钢，经调质处 理( 淬火+ 高温回火) 。中碳钢为含碳量0 2 5 0 6 的碳素钢，具有较好的综合机械性能， 除作为建筑材料外，还被广泛应用于各类机械零件。4 5 号钢的化学成分见表2 1 。 表2 - 14 5 号钢化学成分【5 0 】 根据试验机要求，试样选择圆棒状，试样两头加工成m 2 0 的螺纹，螺纹长度为4 5 l l l r f l 。根据g b 3 0 7 5 8 2 金属轴向疲劳试验方法【5 l 】、g b 6 3 9 7 8 6 金属拉伸试验试样 【5 2 1 要求，试样标距部分直径通常为3 2 5m l l l ，因此本实验试样标距直径d 采用1 0r a i n 。 为了实现微动，满足实验的需要，需在试样标距内将试样加工为两侧平行的平面，所以 在标距内两边都向下削去1m i l l ，这样平面宽度为6m l 1 。标距长度采用比例试样中的短 试样设计，为乇= 5 6 5 彳( a 为标距处截面面积，乇为标距长度) 。 彳：n r 2 一( ! 竺万r 2 2 3 4 ) ：7 0 3 4 m 珑2 ( 2 1 ) 、3 6 0 其中：口= a r c s i n 二= 3 6 8 7 。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 r = 5 m m t o = 5 6 5 厮= 4 7 4 m m ( 2 2 ) 综合考虑，取标距为4 41 1 ! 1 1 。 为减少应力集中，试样从两端到标距处采用圆弧过度。综合实验设备和实验要求， 最后实验试样结构设计尺寸简图如图2 3 所示。 o n = 如l 、 4 54 5 _ ，_ f 1 8 5 图2 - 3实验试样结构简图 2 3 微动实验微动桥结构设计和校核 2 3 1 微动桥结构设计 微动垫采用桥式，微动桥是用来与试样两平行平面产生微动的实验结构，因此每次 实验都是成对地使用微动桥。微动桥的作用就是两个桥脚面与试样的平面相互接触，由 于试样受轴向载荷作用而产生弹性伸缩，这样就造成试样与桥脚接触面很小的相互滑 动，即产生了微动。 为形成不同的接触形式，微动桥桥脚面设计成三种形式，分别为平面桥脚面，半径 为4 0m m 和7 0n l l n 的圆柱面桥脚面。其中主要的特征尺寸为桥足跨度z 、桥足高度h 和 微动桥高度日，三种微动桥结构简图如图2 4 ，图2 5 和图2 - 6 所示。 图2 _ 4 半径4 0 m m 的圆柱桥脚面微动桥结构简图 一 迅 ”咏 第2 章微动疲劳实验装置设计 图2 5半径7 0 m m 的圆柱桥脚面微动桥结构简图 图2 - 6 平面桥脚面微动桥结构简图 在实验过程中，微动桥桥体中间位置受到垂直压力尸的作用，从受力角度分析，其 受力状态相当于中间受集中力的简支梁，两桥足面为支点。所以微动桥的设计必须有足 够大的刚度和强度，否则就会出现过大的弯曲而影响桥足的压力分布，最终影响实验结 果。由于三种微动桥所施加的载荷不同，因此设计的结构尺寸也不一致。考虑到试样平 面宽度为6n l n l ，为了能使试样平面充分接触，桥体厚度略宽，b 取7m r n 。根据试样标 距，两种圆柱面桥脚的微动桥桥足跨距- - 2 2r a i n ，桥体高度h = 7m l i l ，桥足跨度b = 8m m ， 桥足高度h = 2m m ，微动桥长度l = 3 2i i l i 1 。而为了使接触区域应力最大值的位置保持一 致，平面桥脚面微动桥桥足跨距，取2 6l l l l r l ，桥足宽度b = 4r e a l ，其他参数取桥体高h = 8 m n l ，桥足高度和微动桥长度与圆柱面桥脚的微动桥一致。 2 3 2 微动桥强度和刚度校核 实验时需在微动桥上贴应变片，所以为了保证施加载荷的精确性及实验的可行性， 须对实验用微动桥进行强度和刚度校核，下面对三种微动桥进行校核。 ( 1 ) 圆柱面半径4 0n l i 1 的微动桥校核 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 首先利用材料力学理论对微动桥进行简化，桥体中间在受到垂直载荷作用下，其受 力状况相当于中间受集中力的简支梁。其受力简图如图2 7 所示。 图2 - 7 微动桥受力状况简化图 由图可知，桥体中间截面为危险截面，中间截面下部有最大弯矩。最大弯矩为： m 一= 等 ( 2 - 3 ) 最大弯矩正应力为： 盯一：毕 ( 2 - 4 ) z 上式中：y 一梁横截面上任一点到中性轴的距离，本例中j ，一= ；对高为h ，宽为b ， 长为，的长方体，有，z = 砌3 1 2 。 代入上式可得最大弯矩正应力： p lh 盯：丝：盟：型 盯嗍2 于2 蒂2 土2 b h 2 1 2 ( 2 5 ) 从刚度方面考虑，桥体中间截面具有最大挠度为： 国：卫：0 ( 2 6 ) 国m a x2 l 4 8 e 2i 丽r - l z 。o 此微动桥的各参数取值为：，= 2 2r n l t l ，b = 7m m ，h = 7r a i n ，弹性模量e 为2 1 0 g p a ，根据实验设计，该微动桥实验中所受最大垂直载荷尸= 1 4 0 0n ，代入以上式子，可 得： p lh 民y_丝：婴：型：焉3x1400 x 2 2 x 1 0 - 3 ：1 3 4 6 9 m p a 。眦 ，b h 32 b h 2 2 x 7 x7 2 1 0 9 。 1 2 户卫：l ：坐q 氅竺一i ：o 0 0 7 4 m 加 国一2l 4 8 e 2 4 e b h 32 衣币丽再瓦可。u u u 7 4 姗 第2 章微动疲劳实验装置设计 根据实验测得本实验用4 5 号钢的弹性极限为o s = 3 8 6 m p a ，抗拉强度 盯p = 6 7 2 m p a ，而许用挠度 c o 】- 0 0 0 2 l ，为0 0 4 4m i l l 。仃一= 1 3 4 6 9 m p a o p ， = 0 0 0 7 4 m m c o ，满足强度要求和刚度要求条件。 ( 2 )圆柱面半径7 0i 砌的微动桥校核 此微动桥的大部分结构尺寸与前面的一致，只有桥脚圆柱面的半径不同，因此可以 根据前面的公式进行计算校核。该微动桥在实验中所承受的最大垂直载荷为p = 2 5 0 0n ， 由此得： 盯一= 丝i = 黑= 等等 p a ，r = 二= _ ：一= 一 r a 。m 戤 2 2 一9 。 缈一=黑z=j=24052m412bh 27 x71 0 0 0 1 3 2 n l l n 4 e b h4 x2 1 0 x1 07 疗) = 二一= 一= 觚 3 3 7 3 最大正应力仃一= 2 4 0 5 2 m p a 仃p ，最大挠度缈一= 0 0 1 3 2 m m c o 】，即应力强度 和应变都在弹性范围内，满足强度要求和刚度要求。 ( 3 ) 平面桥脚微动桥校核 校核方法与前面的一致，该微动桥的各参数为1 = 2 6i m n ，b = 7i i l m ，h = 8m m ，实验 设计最大垂直载荷p = 5 0 0 0n ，代入前面公式得： 。：丝：婴：而3x5000 x26x10-3：43526mpa ，r = 二= - = 一= a 。懈 1 2 b h 22 x7 8 2 1 0 9 。” 缈一=黑=羔=00292ini1i14ebh4 x2 1 0 1 0 打) = _ ：一= 一 “懈 3 3 7 8 3 可以看出，最大正应力已超出弹性极限，局部会有屈服，因此需对该微动桥进行强 化处理。处理方法，贴应变片前，在试验机上用更大的垂直载荷( 选用5 2 0 0n ) 压一段 时间，然后再贴应变片，这样就能确保实验时施加载荷的精确性。这里的许用挠度 【c o _ 0 0 0 2 l ，为0 0 5 2t o n i ，缈一= 0 0 2 9 2 m m c o ，因此刚度条件满足。 2 4 微动实验装置装配图 整个微动实验除了试样和微动桥外还有加载钢圈及标定微动桥用的加载螺头，把各 实验装置装配起来就构成了本实验的微动疲劳实验装置，装配图如图2 - 9 所示。试样通 过两端的螺纹连接安装在试验机的上、下两个夹头上，加上一定的预紧力后用螺母固定， 通过加载钢圈上的两个螺栓把一对微动桥对称的夹在试样两侧平面上，这样微动桥和试 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 样之间就有了接触。试样轴向方向受到试验机加载的循环载荷而产生伸长与恢复，从而 试样与微动桥之间就产生了微动作用。加载螺头和加载钢圈如图2 8 所示。 ( a ) 加载螺头 ( b ) 加载钢圈 图2 8 加载螺头和加载钢圈 图2 - 9 实物装配图 2 5 本章小结 ( 1 3 简要介绍了微动疲劳实验中的三种微动模型，本文实验是在岛津微机控制电液 伺服静动态材料试验机e h f e d 2 5 0 k n 4 0 l 完成的。 (