（机械设计及理论专业论文）两种钢的复合微动磨损行为的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工业中的实际微动现象十分复杂，不仅接触方式各式各样、载荷性质也 千变万化，相对位移也不仅仅是切向、径向、滚动和扭动等简单方式，而可 能是两种或两种以上基本模式复合的复杂运动。过去，绝大多数的研究都集 中在单一模式微动，近年来，关于两种基本微动模式复合逐渐引起人们的重 视。 本文采用球，面接触，研究了6 0 s i 2 m n 钢和2 0 号钢在两种倾斜角( 4 5 0 和6 0 0 ) 、三种载荷( f m 。= 2 0 0 n 、4 0 0 n 、8 0 0 n ) 和恒定加载速度( 6 m m m i n ) 下的复合微动磨损行为。在详细分析该微动接触条件下的动力学特性的基础 上，结合光学显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 、电子能谱( e d x ) 、激光共 焦扫描显微镜( l c s m ) 对磨痕的分析，探讨了不同阶段的微动过程和机制， 得到了以下结论： 1 复合微动的载荷位移( f d ) 曲线有三种基本类型，即准梯形型 ( 包括准三角形型) 、椭圆形型和直线形型，表现出切向与径向相复合的特征。 并根据f d 曲线的基本类型，可将复合微动过程划分为三个阶段。 2 f d 衄线随循环周次的变化，强烈地依赖于载荷水平、倾斜角度和 材料的性质。 3 复台微动过程在初期的跑台阶段，耗散能随循环周次的增加面增加， 此后随材料的加工硬化，耗散能随循环周次的增加而降低。 4 详细分析3 种f d 曲线对应的不同损伤阶段得出，第1 阶段的磨损 以滑移为主，第1 i 、i i i 阶段的颗粒剥落均按剥层机制进行，但程度明显不同。 5 氧化作用在磨损过程中起了重要作用，阶段i i 与阶段i i l 氧化作用明 显，且阶段i i 氧化程度比阶段i i i 严重。 关键词：微动磨损，复合微动，切向微动，径向微动 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t i ni n d u s t r y ，t h ef r e t t i n gp h e n o m e n o ni sc o m p l e x n o to n l yt h e c o n t a c t m o d e sa r ev a r i o u sa n dt h ec h a r a c t e ro ft h el o a di sd a e d a l b u ta l s ot h er e l a t i v e d i s p l a c e m e n tm a y b et h ec o m p o s i t em o v e m e n tc o m p o u n d e do ft w oo rm o r eb a s i c m o d e si n c l u d i n gt a n g e n t i a l ，r a d i a l ，r a t i o n a la n dt o r s i o n a lf r e t t i n g t h ea b s o l u t e m a j o r i t yo fr e s e a r c h e sh a v eb e e nf o c u s e do bt h ef r e t t i n go fs i n g l em o d eb e f o r e ， t h er e s e a r c hc o n c e r n i n gc o m p o s i t ef r e e i n gr e c i e v e dm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y t h ec o m p o s i t ef r e t t i n gt e s t sw i t hg c r l5 6 0 s i 2 m ns t e e lo rg c r l 5 2 0s t e e l b a l l o n f l a tc o n t a c th a v eb e e nc a r r i e do u tu n d e rt h eo b l i q u ea n g l e so f4 5 0a n d6 0 。 t h em a x i m u m i m p o s e d l o a d sa r ev a r i e df r o m2 0 0 nt o8 0 0 na tac o n s t a n tl o a d i n g s p e e do f6 m m m i n t h ek i n e t i cb e h a v i o u r so fc o m p o s i t ef r e t t i n gt e s t sw e r e a n a l y z e di nd e t a i li nc o m b i n a t i o nw i t hm i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n st h r o u g ho p t i c a l m i c r o s c o p y ，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 ) ，e n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p e ( e d x ) a n dc o n f o c a l l a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p e ( l c s m ) t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa n do b t a i n e dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e r ew e r et h r e eb a s i c t y p e s o f l o a d d i s p l a c e m e n t ( f - d ) c u r v e s i n c l u d i n gq u s i - t r a p e z i f o r mc y c l e ，e l l i p t i cc y c l ea n dl i n e a rc y c l e t h ef e a t h e r so f c o m b i n a t i o no ft a n g e n t i a la n dr a d i c a lf r e t t i n gm o d e sw e r es t r o n g l yp r e s e n t e di n t h e s ec u r v e s c o r r e s p o n d i n gt ot h et h r e et y p e so f f dc u r v e ，t h ek i n e t i cp r o c e s s o f c o m p o s i t ef r e t t i n gm i g h t b eo u t l i n e da st h r e es t a g e s 2 t h ev a r i a t i o n so ft h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e sa sf u n c t i o no fn u m b e ro f c y c l e sw e r es t r o n g l yd e p e n d e du p o nt h e l o a d l e v e l s ，o b l i q u ea n g l e s a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s 3 d u r i n g t h e r u n n i n g - i np e r i o d o f c o m p o s i t ef r e t t i n g ，t h ee n e r g y o f d i s s i p a t i o nw a si n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s e m e n to f t h ec y c l en u m b e na f t e rt h a t ， t h ee n e r g yo f d i s s i p a t i o nw a sl o w i n gw i t ht h ei n c r e a s e m e n to f t h ec y c l en u m b e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 b e c a u s eo f t h e w o r k h a r d i n go f m a t e r i a l s 4 d i f f e r e n t d a m a g es t a g e sc o r r e s p o n d i n gw i t ht h r e el o a d - d i s p l a c em e n t c u r v e sw e r ea n a l y s e di nd e t a i li nt h i st h e s i s ，t h em a i nf e a t u r eo fw e a ri ns t a g e1 w a s s l i p ，a n d t h em a i nw e a rm e c h a n i s mw a s p a r t i c l e s d e t a c h m e n t b y d e l a m i n a t i o ni ns t a g ei ia n d1 1 1w i t hd i f f e r e n te x t e n t 5 i nt h ep r o c e d u r e so f w e a r ，o x i d i z i n ga c t i o ni so b v i o u si ns t a g ei ia n di i i t h ee x t e n to fo x i d a t i o ni sm o r ei n t e n s i v ei ns t a g ei it h a ni ns t a g ei i i k e yw o r d s ：f r e t t i n gw e a r , c o m p o s i t ef r e t t i n g ，t a n g e n t i a lf r e t t i n g ，r a d i a l f r e t t i n g 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( f r e t t in g ) 是两个接触表面间发生极小幅度的相对运动“，它通 常存在于交变工况( 如发动机运转、气流、热交换、疲劳载荷、电磁、传动 及运输等) 下的“近似紧固”的机械配合件中，位移幅度一般为微米量级。 微动摩擦学是研究微动状态下运行机理、损伤、测试、监控、预防的学科， 涉及材料、力学、表面物理、化学等多个领域。 1 1 1 微动损伤现象 微动没有明显的相对运动，表面间基本保持原位接触，其破坏性具有掩 蔽性，不易直接观测，因此，在过去相当长一段时间里，微动现象几乎未引 起人们高度重视。微动损伤普遍存在于机械行业、核反应堆、航空航天、桥 粱工程、汽车、铁路、船舶、电力工业、电信装备和人工植入器官等领域的 紧配合部件中“，随着高科技领域对高精度、长寿命和高可靠性的要求，以 及各种工况条件的苛刻，微动损伤的危害f = | 益凸现。微动损伤现已成为一些 关键零部件失效的主要原因之一，甚至有人称之为“工业癌症”。文献研究和 实际调查发现，微动现象主要发生在几类紧配合件中，如各种螺栓、铆钉、 销连接和搭接、各种紧固机构和夹持机构、各种榫槽配合、花键配合、各种 绳索类构件、各种过盈配合、各种间隙配合、各种弹性支撑机构、置于振动 环境下堆积的零件、滚珠轴承的滚珠在承受法向载荷后在内外滚道上留下通 常被认为“伪布氏压痕”的圆形凹坑状微动损伤、各种人工植入件、各种电 接触部件等。因此，开展微动摩擦学的研究，减轻微动破坏，具有十分重要 的意义。 1 1 2 微动运行模式 实际的微动现象十分复杂，目前尚无统一的分类方法。根据简单化的球 平面接触模型，按照相对运动方向的不同，微动可分为以下四类基本运行模 式“，如图卜1 所示：( a ) 平移式微动，也称切向式微动，这是一种最普遍的 j f “ f ”i f “ j f n qqq 纛 r a d ia ( c ) t 0r t i0 n a ( d ) 幽l 一1 微动基本运行模式 由于平移式微动是最普遍的微动方式，目前关于平移式微动方面的研究 较多。后三类模式虽然在工业中也经常出现，但相关研究报道却相当少，综 合两种以上微动模式或上述微动模式与其它运动( 如冲击) 相结合的复合式 微动的研究也有报道”1 ，但问题的复杂性却大大增加，研究更加少见。 1 1 3 微动损伤模式 微动损伤普遍存在于机械行业、航空航天器、核反应堆、电力工业、桥 梁工程、交通运输工具甚至人工植入器官等领域的紧密配合部件中，已成为 大量零部件失效的主要祸患之一。传统上说，微动引起的损伤通常包括微动 疲劳、微动磨损和微动腐蚀三类模式“。 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：通常是指接触表面的相对位移是由外界振动 所引起的微动，接触副只承受局部接触载荷或固定的预应力( 如拉、压、弯 曲应力等) ；破坏形式主要表现为：材料损失和构件尺寸变化，部件间咬合、 松动、功率损失、增加噪音或形成污染源等。如弹性联轴键和花键、电接触、 航空飞行器的铆接结点、蒸汽机和热交换机中都可能发生严重的微动磨损。 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 2 黑 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动。通常表现为：承受负荷较 大，微动幅度较小，容易导致构件疲劳强度下降，加剧表面裂纹的萌生与扩 展。如各种连接件( 螺栓、铆钉、销和搭接等) 和各种配合件( 榫槽配合、 花键配合、轮轴、瓦轴类部件和柴油机连杆盖与连杆体间配合齿型面等) 。 微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o i l ) ：是指在电解质或其它腐蚀性介质( 如 海水、酸雨、腐蚀性气氛等) 中发生的微动。此时，微动与腐蚀共同作用造 成表面损伤，其中腐蚀作用占优势。 微动损伤的三种模式不是孤立存在的，一般情况下它们可能同时存在并 相互影响，只是在具体情况下，损坏程度不一样。因而，在解决实际问题时， 应找出主导作用的破坏因素，有针对性地解决。 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”1 ，而且这两种机制在三种微动类型中均可能存在。 1 1 4 影响微动磨损的因素 影响微动磨损的因素很多，b e a r d ”1 认为影响微动摩擦过程的因素多达 5 0 多个，而且各影响因素之间又存在相互作用。这是微动磨损比其它磨损形 式更为复杂，更难以认识和控制的主要原因。一般认为，微动磨损影响因素 的三个主要方面： 1 ) 接触参数：主要包括接触压力、相对位移幅值、循环次数、微动频率 振幅，试样几何特征等： 2 ) 物理条件：包括微动体所用的材料( 强度、硬度、疲劳性能、氧化腐 蚀性能、裂纹扩展性能、延展性、粘着性能等) 、接触表面状况( 包括接触模 式、表面粗糙度、硬度和弹塑性等) 和接触区域的温度； 3 ) 环境条件：包括温度、湿度、微动接触表面周围的大气环境、介质及 润滑条件等。 按照上述因子的因果关系，d o b r o m i r s k i ”3 将其分为“一次因子”或“二 次因子”，并认为“二次因子”只有通过“一次因子”才能对微动损伤有所影 响，而真正的“一次因子”只有两个，即微动振幅和接触压力，“一次因子” 的影响主要体现在摩擦系数的变化。 1 1 5 微动磨损的特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 由于振幅很小，磨屑难于从摩擦区域溢出，因而微动磨损局限于分散 的极小的各个实际接触区域9 1 ； ( 2 ) 相对滑动速度很小，例如振幅a = 2 5um 和频率r = 4 0 h z 时的最大滑动 速度，f 2 m m s ： ( 3 ) 不同于一般滑动摩擦下氧化往往减轻磨损，微振摩擦下氧化会加快磨 损； ( 4 ) 摩擦表面上出现带色的斑点，它是集结着被压合的粉状氧化物的点坑， 这是判断微动磨损的主要依据，此外还有微裂纹或小沟槽。 1 2 微动摩擦学的发展历史及最新进展 1 2 1 微动摩擦学发展历史 纵观微动摩擦学9 0 多年的发展历程，大致可划分为三个阶段。 阶段i ：微动现象的发现及早期理论的建立( 1 9 1 1 2 0 世纪5 0 年代) 1 9 1 1 年e n d e n ，r o s e 和c u n n i n g h a m ”o3 在其疲劳试验机夹具与钢试件配合处 观察到了红棕色氧化磨屑，首次观察到微动和疲劳的联系，直到1 9 2 7 年 t o m i n s o n 3 认为腐蚀是次要因素，并提出了一种微动机理，并在其研究报 告中首次出现“f r e t t i n g ”一词。1 9 4 9 年m i n d l i n d2 首次将接触力学引入微 动领域，为微动力学分丰厅奠定了基础；1 9 5 0 年，在美国p h i l a d e l p h i a 召开 的首届微动摩擦学会议对一些微动现象如摩擦氧化、摩擦腐蚀进行了描述： 接着是1 9 5 3 年和1 9 5 4 年分别由f e n g 1 和u h ig h ”提出了化学机械理论和磨 损速率变化理论，为微动摩擦学的发展推进了一大步。这一阶段是微动摩擦 学的建立阶段。 阶段i i ：微动摩擦学的发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代2 0 世纪8 0 年代) ， 1 9 6 4 年，b o w d e n 和t a b o r 发表了经典专著“t h ef r i e t i 0 1 3a n dl u b r i c a t i o n o fs o l i d s ”的第二部分。1 9 6 9 年n i s h i o k a 等“”提出了一种微动疲劳模型， 预测了试件的微动疲劳寿命；1 9 7 0 年h u r r i c k “”将微动磨损过程分为粘着与 金属的转移、磨屑氧化碎化以及稳定磨损3 个阶段；1 9 7 2 年w a t e r h o u s e 在总结前人研究的基础上发表了首部有关微动的专著f r e t t i n g c o r r o s i o n 。1 9 8 8 年，b e r t h i e r 、v i n c e n t 和g o d e t “1 提出了速度调节理论， g o d e t “”提出了微动磨损的三体理论。在这一阶段，关于微动现象的研究才 算真正的开始，有关微动损伤的研究论文数量大大增加，对微动损伤机理的 研究更加系统和深入，提出了一些微动理论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 阶段i i i ：微动摩擦学的崭新阶段( 2 0 世纪9 0 年代现在) ，这段时期， 有关微动摩擦学的研究论文猛增，其主要包括以下几个方面：( 1 ) 理论创新， 1 9 9 0 年，g o d e t ”提出了微动磨损的三体理论。其中值得一提的是1 9 9 2 年， 由z h o u 和v i n c e n t ”提出的二类微动图理论，从而揭示了微动运行机制和 材料损伤规律，对微动摩擦学的发展作出了重要贡献；( 2 ) 极苛刻条件下材 料的微动行为，如1 9 9 2 年，a 1 w a b u c h 一”等人利用液氦制成超低温环境， 研究了低温材料的微动行为。2 0 0 0 年，k s a t o ”研究了强磁场对微动磨损的 影响；( 3 ) 学科问的融合，如1 9 9 5 年，n c h o r s w i l l ”等人系统研究了植 入人体的人工关节的微动磨损行为，将生物医学与微动摩擦学有机结合起来， 并提出了缓和微动损伤的措施；( 4 ) 表面技术在微动领域的应用，这阶段中 大量的论文集中在预防和缓和微动损伤的研究，促进了微动理论的迅速发展； ( 5 ) 其它微动模式的研究。 1 2 22 0 世纪9 0 年代以来的最新进展 周在总结2 0 世纪9 0 年代以来的文献研究基础上，将微动摩擦学发展状 况和未来趋势综述如下“。： ( 1 ) 基础研究。从简单的工业微动破坏现象观察、单一试验参数影响、平移 微动模式，分别走向破坏机理实验分析、综合机械材料参数( 如微移、压力、 频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等) 影响，其它微动模式( 如径 向、滚动、扭动、冲击等模式) 、复合微动等的研究。 ( 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 ) 新材料。过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现 在已有不少研究者开始致力于各种新材料( 涉及高分子材料、余属基复合材 料、高分子基复合材料、连续纤维复合材料、先进陶瓷材料、粉末冶金材料、 机械合金化材料、金属间化合物等几乎所有热门的材料研究领域) 的微动损 伤规律的研究，而且研究数量呈迅速增加的趋势。 ( 4 ) 环境影响。由于现代科技发展的需要，工业构件的工况条件越来越苛刻， 微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境 下进行研究之外。诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和 强磁场等特殊环境下得微动破坏机理的研究也得到积极开展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 5 ) 防护措施。目前，研究领域已从微动破坏机理走向机理与抗微动破坏研 究并重的阶段，各种减缓技术如表面处理、润滑和机械结构设计改进等有很 大的进展。尤其是先进表面工程技术和润滑的研究受到了广泛的关注，并与 工业应用密切结合。 ( 6 ) 工业应用。早期微动破坏的研究主要集中在航空部门，其实微动同样存 在于许多重要的工业部门。近年来，核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、 人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。 1 3 微动磨损理论 1 3 1 早期微动磨损机理 131 1t o m iin 1 3 s o r l 分子磨损理论 t o m l i n s o n 等认为微动磨损是一种分子磨损过程1 ，即两接触面在法向 负荷和往复运动作用下，足以使两表面的材料接近到分子间作用力起作用的 范围，分子吸引是导致材料脱落的主要原因。这种建立在物理作用上的模型， 目前几乎没人赞同。 1 3 1 2 疲劳理论 克拉盖尔斯基于1 9 5 7 年发表了他在引入疲劳破坏的概念的基础上所创 立的磨损的疲劳理论。“，其基本要点是：摩擦表面上的磨损是由于摩擦力重 复作用的结果，材料受到累积损伤而最终导致疲劳破坏，这种破坏首先发生 于微动接触区( 微凸体) 。这种理论不仅用于解释表面疲劳磨损现象，也可用 于分析粘着磨损和磨粒磨损的磨损过程。 1 3 1 3g o d f r e y 粘着机理 g o d f r e y 等研究不同材料微动磨损初期磨屑颗粒的起源后”“2 “，认为磨 屑颗粒是因接触表面间的粘着而产生的，然后从接触面间挤出，同时伴随着 氧化。根据此理论，材料剥离产生的磨损过程主要是机械作用，氧化行为被 认为是产生材料损失的次要因素。该理论忽略了微动现象与其它磨损不同的 氧化特征，具有片面性，但在微动刚开始的早期，该理论还是有效的。 1 3 1 4 剥层磨损理论 s u h ( 1 9 7 3 年) 在弹塑性力学分析和比较充分的实验基础上，提出了剥层 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 磨损理论”。认为在摩擦过程中，剪切变形不断积累，使表面下一定深度处 出现位错堆积，进而导致形成裂纹或空穴。当裂纹在一定深度形成后，根据 应力场分析，平行表面的正应力阻止裂纹向深度方向扩展，所以裂纹在一定 深度沿平行于表面的方向延伸。当裂纹扩展到临界长度后，在裂纹与表面之 间的材料将以片状磨屑的形式剥落下来。剥层磨损理论能够较完善的说明许 多试验所观察到的磨损现象，例如表面层的变形、裂纹的形成与扩展对磨损 的影响等，但由于它一般考虑的只是低速滑动条件下的磨损，没有考虑温度的 作用，因而还不能解释高速滑动条件下的磨损现象。 1 3 1 5o h ii g 机械化学作用理论 第一个提出微动磨损模型的是u h l i g ”“。他认为通常条件下有两种因素 导致材料损失。一种是化学因素的，一种是机械因素的。机械和化学作用交 替造成材料损失，因此氧化膜愈厚则磨损量愈大，而在同样的材料和环境下， 氧化物的厚度与新鲜金属暴露的时间有关。实际上该理论既未体现磨屑的作 用也看不出滑动振幅对比磨损率的影响，而且他将氧化完全当作有害的因素， 忽视了氧化膜能起保护作用的一面，这显然只能在有限的条件下是正确的。 1 3 1 6f e n g 和r i g h t m ir e 的磨损速率变化理论 f e n g 和r i g h t m i r e 将微动磨损随循环数的变化分为四个阶段1 。磨损刚 开始时，接触表面的大量凸峰迅速被磨掉，重量损失很快，凸峰磨掉后转入 磨粒磨损初期，磨损速率减小，这是初始阶段。过了磨粒磨损初期，磨粒的 作用变得显著，磨损速率变大，即为过渡阶段的前半期。之后，磨屑集成一 定的厚度，磨粒作用减轻，使磨损速率略有下降，为过渡阶段的后半期。最 后的阶段是稳定阶段，此时磨损速率为常数，磨屑的聚集量和溢出量相等， 大致保持一个恒定的厚度。该理论很好的解释了微动作用加剧表面的粗糙化， 不足之处在于忽视了部分有色金属的氧化作用不但没有增加磨损，甚至可能 起到有益的润滑效果。 1 3 2 微动第三体理论 1 9 8 4 年，l v i n c e n t 等人在对微动磨损过程中第三体豹产生及其作用进 行系统分析的基础上，提出了一种新的微动第三体理论来解释微动磨损现象 “”“。该理论认为磨屑的产生可看成是两个连续的同时发生的过程，即( 1 ) 磨屑的形成。接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈加工硬化；加工硬化使 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 材料脆化，白层同时形成，随着白层的破碎，颗粒剥落；颗粒随后被碾碎，并 发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数( 如频率、振幅、 载荷等) 。( 2 ) 磨屑的演变阶段( 对钢材料而言) 。在此阶段，磨屑首先轻度 氧化，仍为金属本色，大小为1 0 ”微米量级；此后，磨屑再氧化，大小为1 0 1 微米量级，呈灰褐色；最后磨屑高度氧化，达1 0 1 微米量级，呈红褐色，分 析表明磨屑含a f e 、口一f e 。0 。和少量的f e 。0 ，。 第三体理论能很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程 ( 见图卜2 ) ，其过程是：接触表面膜去除，摩擦系数较低；第一、二体 之间的相互作用增加，发生粘着，引起摩擦系数上升，并伴随材料组织结构 变化；磨屑脱落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，由于第三 体的保护作用，粘着受抑制，摩擦系数降低；磨屑不断形成与排出，其颗 粒成分及接触表面随时间改变，磨屑的形成和排出达到平衡，微动磨损进入 稳定阶段。该理论有明确的力学概念，是兼顾宏观与微观的一种认识。 籁 髅 糍 雠 循环次数( 1 0 9 ) 图卜2 摩擦系数随循环次数的变化过程 1 3 3 二类微动图理论 微动的运行不仅受材料参数( 如强度、弹性模量、弹性、塑性等) 的影 响，而且与试验参数( 如位移、载荷、频率、接触模式、粗糙度、循环次数 等) 的关系极为密切。1 9 8 8 年，v i n g s b o 等最先在进行大量文献调研和微动 试验的基础上提出微动图的概念”，认为微动图由粘着区、粘着一滑移混合 区、完全滑移区组成。在粘着区，界面微凸体的接触处于粘着状态，微滑没 有在接触边缘观测到，运动主要依靠弹性变形调节；在粘着一滑移接触区，尽 管有大量的塑性变形发生，但m i n d l i n 的接触理论仍然定性适用“；滑移区 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的主要标志是摩擦力一位移曲线中的摩擦力突然降低，即从静摩擦过程过渡到 动摩擦。但是，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摩擦力一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。1 9 9 2 年，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，二类微动图包括：运行工况微动图( r u n n i n gc o n d i t i o df r e t t i n gm a p ， r c f m ) 和材料微动图( m a t e r i a lr e s p o n s ef r e t t i n gm a p ，m r f m ) 。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 有效工具。 1 3 3 1 运行工况微动图 无论是微动磨损、微动疲劳还是微动腐蚀，接触表面问的摩擦力和位移 的变化曲线是微动最基本、最重要的信息，结合微动的次数( 时间) ，可以描 述整个微动的动态变化过程。 第二类微动图进一步说明了材料微动损伤机理，相应于第一类微动图不 同区域，在给定的循环次数下微动存在两种不同的破坏方式，一是微动引起 的磨损，二是微动引起的裂纹萌生和扩展。研究发现，混合区是裂纹快速产 生的最危险区域，有超过晶粒尺寸的裂纹形成，同时伴有较大的表层冷作硬 化和少量磨屑；滑移区经常导致磨损，有大量颗粒剥落形成，在实验剖面常 有较多的磨屑积聚或较深麻坑；而部分滑移区的破坏很轻，通常出现在接触 边缘，在微动斑内不易观测到明显的表面损伤。 挺 繇 图卜3 运行工况微动图 根据三中最基本的摩擦力( d 位移( 口) 变化图( 直线型、平行四边 形、椭圆形) 将微动过程分为三个微动区域：部分滑移区、滑移区、混合区。 大量的实验表明，无论任何一种试验工况，微动的运行动态过程都处于以上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 三个区域之一。通常，同时改变任何两个实验参数，如正压力与位移、刚度 与位移等等，而在其它条件不变的情况下，我们还能划分其微动区域，得到 极有用的运动工况微动图。最典型和有价值的是由正压力与位移这两个基本 参数组成地微动图( 见图l 一3 ) 。该图说明了在不同正压力和位移下，三个微 动区域( 部分滑移区、混合区、滑移区) 的分布情况，并且可见，在极小的 位移和高载荷情况下微动过程处于部分滑移区域，在接触边缘只有局部的 小滑移存在，两接触体之间不发生相对滑移；反之，则整个微动过程处于滑 移区域，两接触体之间发生相对位移；混合区域为介于二者之间的过渡区域。 1 3 3 2 材料响应微动图 第二类微动图( 图卜4 ) 由以下三个区域组成：( 1 ) 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：( 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；( 3 ) 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) 。 柱 j | ；5 振幅 图卜4 材料响应微动图 对照运行工况和破坏响应的二类微动图，发现部分滑移区损伤轻微，磨 损主要发生在滑移区，裂纹首先在混合区形成，并伴随有强烈的周期性塑性 变形，随着循环次数的增加，裂纹向其它两个区域，尤其是部分滑移区扩展。 微动图的理论对微动研究具有十分重要的意义，使人们更为深入的理解 微动损伤机理，同时提出了在进行微动损伤机理研究时必须针对相应的区域， 否则提出的理论就缺乏全面性。二类微动图的主要作用表现在以下几点：完 整地揭示了微动磨损的运行机制和破坏规律；提出了微动磨损性能只有在同 一区域才能比较的观点，揭示了国际上有关微动磨损研究相互矛盾的原因： 一 鬻一 区 一 妪一卢一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 在了解界面摩擦动力特性的前提下，可以预见其损伤机制。 1 3 3 3 参数对微动图的影响 ( 1 ) 位移幅值的影响 随着位移幅值的增加，微动区域从部分滑移区、混合区向滑移区发展。 另外，在相对稳定阶段，部分滑移区内的摩擦系数u 随着位移的增大而增加， 在混合区达到最大，然后在滑移区内随着位移的增大而缓慢减小。 ( 2 ) 载荷的影响 通过对处于部分滑移区工况下的微动试验表明，切向刚度随载荷的增加 而增加，但摩擦系数随载荷的增加而减小。应当指出，增加载荷将提高切向 刚度，有利于发生滑动；同时，载荷的增加也将引起切向力的增加，从而导 致较大的弹性变形，使得两接触面对滑移更加困难。对于给定位移，所产生 的综合效应是随着载荷的增加，相对滑移减少，弹性变形量增加，向接触粘 着状态发展。 ( 3 ) 微动频率的影响 当频率提高时，磨屑运动速度加快，极容易溢出接触表面，从而导致接 触区域的第三体( 磨屑) 减小，对基体的保护效果也随着降低，从而导致接 触表面更大的变形，可能产生因颗粒脱落形成的较大深度的磨损坑。同时， 频率对于不同的材料的影响也不完全一样。 ( 4 ) 循环次数的影响 循环次数即磨损行程或时间，一般磨损量随循环次数的增加而呈线性的 增加，只有在初始阶段，增长率较高。这可能是因为初始阶段是金属间的接 触，有较低的接触抗力，较高的摩擦系数，存在有较大的粘着转移和表面塑 性变形。随着氧化物磨屑的形成，磨损量与循环次数成线性关系，即磨损速 率恒定。 1 3 4 接触界面运动调节机理 2 0 世纪8 0 年代后期，r e r t h i e r 、v i n c e n t 和m g o d e t 等提出了微动摩擦 过程中接触界面的运动调节机理”。他们将接触系统分解为三体( 即两个接 触本体和第三体磨屑) 或五个基本组成部分( 即两个接触本体f b 。，依附在 接触本体上的两个表面膜及其中间的磨屑第三体t b ) ，分别用s 。s 。表示， 如图1 - 5 示。摩擦过程中，每一个基本组成部分都有可能发生弹性变形、法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 向断裂、剪切、滚动等四个基本运动调节方式，以实现两个接触本体的相对 滑移，因此，按排列组合在5 个位置共有2 0 种运动调节机理。在一些理论研 究中，为了研究方便，将接触本体( s 和ss ) 及依附于第三体的两层表面膜 ( s ：和s 一) 简化为两个单元，因此，剩下只有1 2 种调节机理，但是在实际情 况下，s 和s s 不可能完全相同，必须对2 0 种可能运动调节机理都进行讨论。 we ias t icm 1 i l n 0rr n a ibrea k in g m 2 = 5 h e ar in g m 3 o or o i i in gm4 f 8 1 呻s t b s l os t b 。一s t bs 2 一s t b ，呻s b ) 4 c c o m m o d a to nm o de s m 1m 2 0a c c o m m o d a to nm e c h a ns i b s s m f b lf irs t b o d y ： t 日th ir d 日o d y t b 。：t h ird - b o d y ( b u ik ) ： t b rt hr d b o d ys cr e e n ： 幽卜5 微动摩擦界面运动调节机理示意图 微动的运动调节机理不仅适用于干摩擦，而且可推广到润滑工况。该理 论可以更清楚地了解界面相对运动过程和微观摩擦特性。 1 4 微动磨损的防护 减缓微动损伤的措施种类繁多，不同方法得到的效果不同，甚至可能是 矛盾的，因此，缓和微动损伤的具体措施很大程度上取决于特定的使用工况。 根据工况不同，通常有以下四种选择工艺方法的基本思路”“： 材料副的选择：由于粘着和表面疲劳在微动磨损中起主导作用，材料的 选择必须考虑材料副的抗粘着性能和表面疲劳性能。早期学者针对不同材料 的摩擦副配对进行了微动损伤的对比研究，结果表明非金属材料和复合材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表现出良好的抗微动损伤性能，近年来正得到广泛的重视。已有研究表明， 聚合物对钢微动磨损时，总是钢被磨损并以氧化物的形式转移到聚合物表面 上。可以预见，非金属材料和复合材料在实际微动工况中将得到广泛的使用。 结构设计：通过优化零部件几何形状和接触材料的设计，以达到减缓微 动损伤的目的。对于一些常见的联接结构形式，如轴毂联接、销轴联接和螺 纹( 铆钉) 联接等，在设计中为了考虑减少微动振幅或交变应力值，可采用 适当增加部件刚度、提高加工精度和压配合等方法，比如通过对燕尾形样联 接的应力和裂纹位置的分析计算，提出了减小微动损伤的修形方法，但这些 方法常常受重量、尺寸和装拆等方面的限制，另外，结构设计可能还会引起 成本的增加和设计时f 司延长，甚至，这些措施往往会造成过载或疲劳强度下 降等负面影响。 表面技术：表面改性技术的引入兼顾了多方面的优势，可以达到防护不 同形式( 包括微动磨损、微动疲劳及微动腐蚀) 的微动损伤，有望成为一种 解决微动损伤的理想方案。近十年来，表面技术的不断发展为表面工程在减 缓微动损伤研究中的应用提供了广阔的空间。 添加润滑剂：在微动表面引入合适的润滑剂( 流体润滑、脂润滑和固体润 滑) ，通常因为在微动中呈现极低的滑动速度和高压作用，在微动条件下使用 流体润滑或脂润滑仅可能产生有限效果，甚至有害的结果，可是固体润滑却 表现出其独特的优势。 1 5 复合微动的进展 工业中的实际微动现象十分复杂，不仅接触方式各式各样、载荷性质( 包 括载荷类型、大小、分布、方向等) 也千变万化，相对位移也不仅仅是切向、 径向、滚动和扭动等简单方式，而可能是两种或两种以上基本模式复合的复 杂运动。 由于复合微动实验模拟困难较大，其问题比单一模式更加复杂，因此目 前对复合微动的研究还很少。r i c e 。”3 、w h jt e 。”3 和p i c k 。“等人进行了冲击、 微动和两者复合的试验，发现两者复合的损伤要明显的强于两者单独作用， 复合型的微动更易使材料破坏。l e v y 。“、j o n e s ”和c h a 。”等人对核反应堆 蒸汽发生器的冲击与微动的复合进行了模拟，r u i z ”对榫槽配合的微动疲劳 进行了模拟，这些模拟多是针对具体部件的失效问题而进行的。 朱和周等人在原有径向微动的基础上”0 1 ，通过改变平面试样接触面的倾 角，首次巧妙地实现了切向与径向微动的复合”“。在对大量材料的复合微动 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 行为进行研究的基础上认为复合微动动力学曲线( 卜口曲线) 有三种型式， 包括准梯形型、椭圆形型和直线形型，表现出切向和径向两种微动模式复合 的特征，并根据三种曲线将复合微动过程划分为三个阶段。然后针对复合微 动磨损的机制，提出了物理模型加以解释。进而，在提出了位移协调机制的 基础上，很好地解释了复合微动的运行和损伤机理。朱的工作极大的促进了 复合微动的发展，为进一步的研究指引了方向。 1 6 论文的研究意义及内容 1 6 1 论文的研究意义 微动引起的机械零部件接触表面破坏，或引起的裂纹萌生，扩展与断裂， 都可能导致整个运转系统失效，微动在工业现象中十分普遍，是造成机械部 件灾难性事故的重要原因之一。微动已经成为摩擦学的一个重要分支，越来 越受到国内外学者的广泛重视。工业中的实际微动现象十分复杂，例如，机 车高速柴油机的连杆大头处连杆盖的齿形紧配合面“、鱼尾槽等各种榫头配 合处“、滚珠轴承“”等处的损伤，实际上都是复合微动的结果。朱等人已对 复合微动进行了大量的研究，但不同材料的复合微动行为不近相同，甚至差 别很大，因此针对不同材料的复合微动行为进行研究具有实际的应用意义和 理论意义。 本研究选用两种材料6 0 s i 2 m n 钢与2 0 号钢作为复合微动研究对象，其中 6 0 s i 2 m n 钢是用途十分广泛的一种合金弹簧钢，该钢的淬透性较高，淬火加 回火后具有较高的强度和弹性极限，较高的屈服比和抗松弛能力及抗回火稳 定性。主要用于制造在2 5 0 “c 以下工作的厚度小于1 0 m m ，直径小于2 5 m m 的 各种板簧、爆旋弹簧、安全阀弹簧及仪表弹簧。而2 0 号钢的强度较高，塑性、 韧性和焊接性能都很好。可供制造淬火使用的锁、卡固、弓形夹子、垫圈、 条带等小零件。这些都属于振动工况下的“近似紧箍”的机械配合件，常 伴随复合微动的发生。目前，对这两种钢的复合微动研究还未见报道。 本研究采用球面接触，在径向微动的基础上”“1 ，通过改变平面试样 接触面的倾角，巧妙地实现了切向与径向微动的复合“7 1 ”，研究了两种钢的 复合微动动力学行为与复合微动损伤过程和机制。不仅对这两种材料在实际 工程中的应用具有指导意义，同时对复合微动理论的发展具有重要的意义。 1 6 2 论文的研究内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 利用新型径向微动试验装置，采用球面接触，载荷分别为2 0 0 n 、4 0 0 n 、 8 0 0 n 下，对6 0 s i 2 m n 钢和2 0 号钢在倾角4 5 ”和6 0 。时进行复合微动磨损 试验。 详细分析了该微动接触条件下的动力学曲线，即载荷位移曲线，根据 其曲线类型，将微动划分为三个阶段，并探讨了其能量与能量比的变化 规律。 结合光学显微镜、激光共焦扫描显微镜( l c s m ) 和扫描电镜( s e m ) 对磨痕 的分析，探讨了不同阶段的复合微动损伤过程及其机制。 对比两种材料的复合微动