（机械设计及理论专业论文）两种fec合金的转动微动磨损研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工业中的实际微动现象十分复杂，接触方式各式各样，目前尚无统一分 类方法，以球平面接触模型为例，根据不同的相对运动方向，微动可分为4 种基本运行模式：切向( 平移式) 、径向、转动和扭动微动。但绝大多数研究 集中在平移式( 切向) 微动，关于回转( 转动、扭动) 微动的报道极少。目 前，对工程应用最广泛的钢铁材料的转动微动运行和损伤特性缺乏系统认识。 车轴是高速列车安全行车关键部件之一，其损伤直接关系到列车运行安全， 转动微动是其复杂微动损伤中的其中一种。因此，本文对转动微动的运行和 损伤机理的研究不仅具有重要的理论意义，也有重要的工程应用价值。 本论文采用球平面接触方式，进行了l z 5 0 车轴钢和工业纯铁在不同法 向载荷( 5 n 、lo n 、2 0 n ) 和转动角位移幅值( 0 = 0 1 2 5 0 、0 。2 5 0 、0 5 0 ) 与 g c r l 5 滚珠轴承钢球配副对磨时的转动微动磨损试验。在详细分析微动接触 条件下动力学的基础上，结合扫描电子显微镜( s e m ) 、光学显微镜( o m ) 、电 子能谱( e d x ) 和表面轮廓仪对磨痕进行微观分析，探讨了转动微动的运行行 为和磨损机制，得出以下结论： 1 l z 5 0 钢和工业纯铁的转动微动运行特性可以用摩擦力一转动角位移幅 值( r 口) 曲线描述。结果表明，与切向微动类似，转动微动的只乡曲线也 呈三种基本型：直线型、椭圆型和平行四边型； 2 当较大法向载荷或较小转动角位移幅值时，两种材料的只臼曲线呈现 为闭合直线型，微动运行于部分滑移区；随着法向载荷的减小或转动角位移 幅值的增大，只臼曲线为宽扁平行四边型，微动处于滑移区。研究表明，法 向载荷和转动角位移幅值对转动微动的运行行为有重要影响；在本试验参数 下，研究发现两种材料的转动微动均未出现混合区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 3 在部分滑移区，l z 5 0 钢和工业纯铁的摩擦系数曲线经过较短跑合阶段 后迅速爬升至最大值，随后保持稳定并处于较低位；在滑移区，摩擦系数曲 线则有爬升、下降和趋于稳定三个阶段；滑移区的稳定摩擦系数高于部分滑 移区。工业纯铁在部分滑移区和滑移区的摩擦系数均高于l z 5 0 钢，这与接 触界面间的塑性变形有关。 4 l z 5 0 钢和工业纯铁在部分滑移区的转动微动磨痕表现为中心黏着、接 触边缘发生微滑的环状特征，材料损伤轻微。在滑移区，两种材料在磨痕中 心区域均观察到“隆起 现象。磨痕中心的“隆起”可能是材料在转动微动 模式下塑性流动在接触中心累积的结果，滑移区的磨损机制主要为磨粒磨损、 剥层和氧化磨损。 关键词：摩擦磨损；微动磨损；转动微动；l z 5 0 车轴钢；工业纯铁 西南交通大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i ni n d u s t r y ，t h ea c t u a lf r e t t i n gp h e n o m e n o ni sc o m p l e x ，t h ec o n t a c tm o d e l s a r ev a r i o u sa n dt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n ti sn o to n l yt a n g e n t i a l f o u rb a s i c f r e t t i n gm o d e si e t a n g e n t i a l ，r a d i a l ，r o t a t i o n a la n dt o r s i o n a lf r e t t i n g ，c a nb e d e f i n e du n d e rab a l l o n - f l a tc o n t a c ta c c o r d i n gt ot h ed i r e c t i o n so fr e l a t i v e m o t i o n s m o s tr e s e a r c h e sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h et a n g e n t i a l ，t h er e p o r t sa b o u t r o t a t i o n a lf r e t t i n g ，h o w e v e r ，a r es t i l lv e r yr a r e n o w a d a y s ，t h eu n d e r s t a n d i n g a b o u tr o t a t i o n a lf r e t t i n gr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dd a m a g em e c h a n i s mo fs t e e l w h i c hi sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gi ss t i l lu n c l e a r t h ea x l eo fr a i l w a yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fs a f e l yr u n n i n go fh i g hs p e e dt r a i n ，a n di t sr u n n i n g c o n d i t i o np l a y sad i r e c tr o l ei nt h es a f et r a n s p o r to ft h er a i l w a y ，t h er o t a t i o n a l f r e t t i n gi so n eo ft h ed a m a g em o d e s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t et h e r u n n i n ga n dd a m a g em e c h a n i s m so ft h em a t e r i a lu n d e rt h ec o n d i t i o no fr o t a t i o n a l f r e t t i n g ，w h i c h i sv a l u a b l et ob o t ht h eb a s i c t h e o r y a n dt h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n r o t a t i o n a lf r e t t i n gt e s t so fl z 5 0s t e e la n dp u r ei r o nf l a ta g a i n s tg c r l5s t e e l b a l lw e r ec a r r i e do u tu n d e rn o r m a ll o a d so f5 n ，10 na n d2 0 na n 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 sf r o m0 12 5 0t oo 5 0 b a s eo nt h ef r i c t i o n a lk i n e t i c so f r o t a t i o n a lf r e t t i n g ，w e a rm e c h a n i s m so fl z 5 0s t e e la n dp u r ei r o nw e r ed i s c u s s e d i nd e t a i lc o m b i n e dw i t hm i c r o - a n a l y s i ss u c ha ss e m ，o m ，e d xa n dp r o f i l o m e t e r m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s 1 f r i c t i o nf o r c ew 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 ( f t 一目) c u r v ec a nb eu s e d t od 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 fr o t a t 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 s o f 只一0c u r v ew e r ep r e s e n t e df o rl z 5 0a x l es t e e la n dp u r ei r o n ，f ei ns h a p eo f l i n e a r ，e l l i p t i c a la n dp a r a l l e l o g r a m 2 t h e 只一0c u r v e so ft h et w om a t e r i a l se x h i b i t e dl i n e a rc y c l e sw h e nu n d e r t h e r e l a t i v e l yh i g hn o r m a l l o a do rl o w 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 u g g e s t i n gt h er o t a t i o n a lf r e t t i n gr u ni nt h ep a r t i a ls l i pr e g i m e w i t ht h ed e c r e a s e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1v 页 o ft h en o r m a ll o a do rt h ei n c r e a s eo ft 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 e ，t h e f r e t t i n gr u n n i n gs t a t et r a n s f e r r e df r o mt h ep a r t i a ls li pt ot h eg r o s ss l i p ，a n dt h e f t - 0c u r v ec h a n g e df r o ml i n e a rt op a r a l l e l o g r a ml o o p s t h e r e f o r e ，t h er o t a t i o n a l f r e t t i n gb e h a v i o ro ft h el z 5 0w a ss t r o n g l yd e p e n d e n tu p o nt h en o r m a ll o a da n d 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 “m i x e df r e t t i n gr e g i m e ”o ft h et w om a t e r i a l s w a sn o tf o u n di nt h i sw o r k 3 t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v e so ft h el z 5 0s t e e la n dp u r ei r o np r e s e n t e da s h o r tf a s ta s c e n ts t a g ea n dt h e nr e a c h e dal o w v a l u es t e a d y - s t a t es t a g eu n d e rt h e p a r t i a ls l i pc o n d i t i o n w h i l ef o rt h eg r o s ss l i p ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v e s e x h i b i t e dt h r e em a i ns t a g e s ，i e ，i n i t i a l ，t r a n s i t i o n a la n ds t e a d ys t a g e s t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ti nt h eg r o s ss l i pr e g i m ew a sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti nt h ep a r t i a ls l i p r e g i m e f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ep u r ei r o nw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h el z 5 0 s t e e li nb o t ht h ep a r t i a ls l i pr e g i m ea n dt h eg r o s ss l i pr e g i m e 4 t h er o t a t i o n a lf r e t t i n gw e a rs c a ro fl z 5 0s t e e la n dp u r ei r o ni nt h ep a r t i a l s l i pw a sat y p i c a lf r e t t i n ga n n u l u sw i t hs l i g h td a m a g ew h e r ef r e t t i n gd i s p l a c e m e n t w a sc o o r d i n a t e db ye l a s t i cd e f o r m a t i o n h o w e v e r ，w h e nf r e t t i n gr u ni ng r o s ss l i p r e g i m e ，“b u l g e p h e n o m e n o nc a nb eo b s e r v e di nt h em i d d l eo ft h ew e a rs c a r t h e b u l g e i nt h em i d d l eo fw e a rs c a rp r o b a b l yr e s u l t e df r o mt h ea c c u m u l a t e dp l a s t i c f l o a t d a m a g ea n d t h ea c c u m u l a t i o na n d c o m p a c t i o no fd e b r i s t h ew e a r m e c h a n i s m so fl z 5 0s t e e la n dp u r ei r o ni nt h eg r o s s s l i pr e g i m ew e r et h e c o m b i n a t i o no fd e l a m i n a t i o n ，a b r a s i v ew e a ra n do x i d a t i o nw e a r k e yw o r d s ：f r ic tio na n dw e a r ：f r e t tin gw e a r ：r o t a tio n ai f r e t tin g ； f r e t tin gr e gim e ：l z 5 0s t e ei ；p u r eir o n 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，在一年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、 ) 学位论文作者签名：鸣正忍 日期：a 。吖年6 月弓日 指导教师签名：牙艮炙 日期：z 9 1 年 6 月否日 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 转动微动的运行特性可以用摩擦力转动角位移幅值( f t 口) 曲线描述， 其f t 占曲线呈三种基本型：直线型、椭圆型和平行四边型；当较大法向载荷 或较小转动角位移幅值时，两种材料的r 目曲线为闭合直线型，微动运行于 部分滑移区；随着载荷较小或转动角位移幅值增大，只0 曲线呈现为宽扁平 行四边型，微动处于滑移区。法向载荷及转动角位移幅值对转动微动的运行 行为有重要影响；本试验参数下，两种材料均未观察到微动的混合区； 2 在部分滑移区，两种材料的摩擦系数曲线经较短的跑合阶段后迅速达 到最大值，随后保持稳定并处于较低位；而在滑移区，摩擦系数曲线经历爬 升、下降和逐渐稳定三个阶段。滑移区摩擦系数高于部分滑移区。工业纯铁 在两个区域的摩擦系数均高于l z 5 0 钢； 3 l z 5 0 钢和工业纯铁在部分滑移区的转动微动磨痕为中心黏着，接触 边缘微滑的微动环状，材料损伤轻微，其微动主要靠材料的弹性变形协调； 而在滑移区，两种材料在磨痕中心均观察到“隆起现象，这可能是材料在 转动微动模式下塑性流动在接触中心累积的结果，其磨损机制主要为磨粒磨 损、剥层和氧化磨损。 学位论文作者签名：属乙忍 e l 期：乒。，t f 年月多日 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 微动摩擦学的基本概念及发展 微动( f r e t t i n g ) 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【l 2 1 。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【l j ，其主要涉及机械、材料、力学、物理学、化学、甚至生物医 学、电工学等。 1 1 1 微动损伤现象 微动由于相对运动极小，配合面基本保持原位接触，其造成的破坏不易 直观被观测到，具有很强的隐蔽性，因此，在过去很长一段时间内，微动造 成的损伤现象并没有引起人们的重视。 微动损伤普遍存在于机械行业、核反应堆、航空航天器、桥梁工程、汽 车、铁路、船舶、电力工业甚至人工植入器官等领域的紧配合部件中1 2 j ，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”。 具有代表性的微动损伤实例现象主要发生在以下几类紧配合件中 1 】： ( 1 ) 各种连接件，包括铆钉连接、螺纹连接、销轴链接和搭接等； ( 2 ) 各种紧固机构和夹持机构，如内燃机车柴油机连杆盖与连杆紧配合 齿形结合面上产生微动疲劳裂纹； ( 3 ) 各种榫槽配合、花键配合，如涡轮叶片的花键配合榫槽配合发生的 微动疲劳损伤； ( 4 ) 各种绳索类构件如钢丝绳、钢缆、高空电缆、斜拉索等； ( 5 ) 各种过盈配合，典型如机车中的轮轴配合，车轴轮一轴压配合处在运 行过程中承受交变弯曲应力而出现微裂纹及其扩展从而导致部件疲劳强度降 低或早期断裂。车轴的冷切实质就是微动疲劳破坏； ( 6 ) 各种间歇配合，如涡轮发动机叶片在高速转动时相邻叶片的叶冠发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 生的微动磨损； ( 7 ) 滚动轴承的滚珠和在承受法向交变载荷后在内外滚道上留下通常被 称为“伪布氏压痕 的圆形凹坑状微动损伤，因其微动的振动方向在径向， 属于典型的径向微动； ( 8 ) 核工业中的各类紧配合及间隙配合件； ( 9 ) 各种人工植入件等如人工种植义齿因微动损伤造成的松动或断裂 等； ( 1 0 ) 各种电接触部件，如部分仪器设备中的电接触件在振动、电磁作用、 热波动导致接触件表面的微动损伤： ( 1 1 ) 其他 以上典型配合件在各种振动环境下，极易导致紧配合面的微动损伤，从 而影响了整体结构的使用生命周期。 1 1 2 微动损伤模式 微动是一种相对运行幅度很小的摩擦方式，对材料造成的损伤通常表现 为两种形式【2 1 ，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，使构件的宏观 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，甚至可能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【2 】： ( 1 ) 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：指接触表面的相对位移由接触副外界振动 引起的微动。试件不受任何预应力作用的一种微动模式。 ( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) ：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模式。 ( 3 ) 微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ：指在电解质或其他腐蚀性介质中( 如 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 海水、酸雨、腐蚀性气体等) 发生的微动。微动过程伴随有腐蚀发生，且腐 蚀作用占优势。 需要指出的是，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀实质上只是微动的3 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) 才是微动的两种基本破坏机制 1 】，而且这两种机制在三种微动类型中均可能 存在。 1 1 3 微动磨损的特点及影响因素 微动磨损的特点主要有以下几点：由于振幅很小，磨屑难于从接触区 溢出，因此微动磨损局限于各实际接触区域；局部往复运动中，微动界面 大都处于高应力状态，表面和亚表面变形及裂纹萌生要比一般滑动严重得多； 相对滑动速度很小，例如振幅a = 4 0 u m 、频率v = 1 0 h z 时，其平均速度 v m a x = 1 6 m m s ；不同于一般滑动摩擦下，氧化通常减轻磨损，微振摩擦下 氧化会加快磨损；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，这是微动磨损的重要特征，此外还有微裂纹或小沟槽。 影响微动磨损的因素很多，但各种因素不是简单的叠加，而是相互影响。 一般认为，主要在以下三个主要方面：接触条件参数：主要包括法向载荷( 接 触应力) 、相对位移幅值、循环次数、频率( 微动速度) 、刚度、试样几何特征 等；物理条件：包括材料的弹性模量、硬度、强度、疲劳性能、延展性、 弹塑性、粘着性能等；试验环境条件：包括试验温度、湿度、介质( 润滑剂、 腐蚀液、涂层等) 、气氛等。 1 1 42 0 世纪9 0 年代后的最新进展 周仲荣【l 】在自2 0 世纪9 0 年代以来的文献研究基础上，将微动摩擦学的 发展状况和未来发展趋势综述如下： ( 1 ) 基础研究。从简单的工业微动破坏现象观察、单一实验参数影响、 平移微动模式，分别走向破坏机理试验实验分析、综合机械材料参数( 如位 移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等) 影响、从单一的 切向微动模式向其他微动模式( 径向、径向与切向的复合、扭动、转动、冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 击等) 的转变，有关径向、径向与切向的复合微动和扭动微动的最新进展将 在下面1 2 1 节做介绍。 ( 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理论研究的重要特征。 ( 3 ) 新材料。从过去研究较多的金属材料( 尤其是各种钢和铝合金) 到 现在扩展到各种新材料，包括高分子材料、金属基复合材料、高分子基复合 材料、先进陶瓷材料、粉末冶金材料、金属间化合物等热门材料研究领域。 ( 4 ) 环境影响。微动的研究己不再局限于普通工况。除了传统的高温、 真空和腐蚀气氛等环境下的研究外，还有流动空气、水蒸汽介质、生物性腐 蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也有积极开展。 ( 5 ) 目前，研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏并重 的阶段，各种减摩技术如表面处理、润滑和机械结构设计改进等有很大进展。 尤其是先进表面工程技术应用和润滑的相关研究受到了广泛关注，同时与工 业应用日益密切结合。 ( 6 ) 工业应用。早期微动破坏的研究主要集中在航空部门，而微动同样 存在其他许多重要工业部门。近年来，核电站、高空电缆、钢丝绳索、人工 植入器械、电接触等工业领域的微动损伤也同样成为研究热点。 1 2 微动的运行模式及其研究 在实际工况中微动运行十分复杂，目前尚无统一分类方法，通常按球 平面接触模式将微动状态简单化。根据不同的相对运动方向，可把微动分为 4 种基本运行模式( 见图1 1 ) 即：( 1 ) 切向( 平移式) 微动；( 2 ) 径向微动；( 3 ) 转动微动；( 4 ) 扭动微动。需要指出的是，两种或两种以上的微动模式的叠加 ( 即复合式微动) 同样广泛存在于工业中【3 1 ，但目前大部分研究主要集中在 切向式 4 】，径向微动主要集中在比利时学者 5 ，6 】及作者所在课题组 3 】 扭动、 转动及扭转复合模式仅见b j b r i s c o e 等0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 尘 量 台台禽昌 径向徽动 ( b ) 氡国 转动微动扭动徽动 图1 1 微动的4 种基本模式示意图尸i 去向压力；d 堆【移幅值；q 转动角位移 1 2 1 切向微动 1 早期微动磨损理论 t o m l i n s o n 等【l2 j 认为微动磨损是一种“分子磨损 过程，分子吸引是导 致材料的脱落的主要原因。克拉盖尔斯基【1 3 1 1 9 5 7 与发表了其创立的磨损的疲 劳理论，他认为磨损是摩擦表面摩擦力重复作用的结果，材料受到累积损伤 导致首先发生在微凸体的疲劳破坏，该理论适用于解释表面疲劳磨损现象， 同时也可用于解释粘着磨损和磨粒磨损的过程。g o d f r e y 等【1 4 】人考察微动磨 损初期磨屑磨粒的起源后，认为接触表面间的粘着使颗粒从表面脱落，同时 发生氧化，其认为磨损过程主要是机械作用，氧化行为则被认为是次要因素。 该理论忽视了微动不同于其他磨损的氧化特征，具有片面性，适用于微动刚 开始的早期。f e n g 和r i g h t m i r e 1 5 将磨损率的随循环次数的变化规律为起始、 减缓、转移和稳定4 个阶段。h a l l i d a y _ 1 6 】等人用电子显微镜( s e m ) 、光学显微 镜及电子衍射方法研究微动过程，发现材料表面有冷焊点，相对滑移幅值对 微动磨损有影响，而微动磨损与氧化物的形成无关。最早给出定量表达式的 微动磨损理论是u h i g h 【l7 】等，其认为微动破坏是机械和化学作用叠加的结果， 但他把机械作用和氧化作用孤立地看待，并认为氧化行为完全有害，与实际 情况并不完全一致。w a t e r h o u s e 博】提出微动磨损和粘着磨损很相似，包括有 冷焊点的形成与撕裂及金属发生转移。w r i g h t 【1 9 等人从微动过程的角度出发， 认为颗粒脱落氧化后变成具有磨粒磨损特性，并且表面破坏还应该考虑疲劳 晕 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的影响。w a t e r h o u s e 2 0 通过在无氧状态下的微动研究，指出微动破坏完全是机 械作用的结果，并进一步认为起破坏机理类似于单向滑动磨损；但在有氧环境 下，其破坏本质还是化学作用，而机械运动主要作用是排出氧化磨屑。 磨损的剥层理论是s u h 2 1 】在1 9 7 3 年用于解释金属和其他固体材料而引 入的。该理论认为：摩擦过程中，表面下一定深度的位错不断堆积最终导致 裂纹或空穴。裂纹形成后沿平行于表面方向扩展，当裂纹扩展到临界长度时， 裂纹与表面之间的材料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。 上世纪7 0 年代初，h u 币c k s 【2 2 1 在总结前人研究后认为，微动磨损可分为 3 个阶段，即初期金属表面的粘着和转移；颗粒的氧化；稳定磨损状 态的建立。 2 0 世纪7 0 年代后，部分学者如w a t e r h o u s e 2 3 1 将s u h 2 1 1 在大位移滑动磨 损条件下提出的剥层理论用于微动状态，认为颗粒的剥落与亚表面裂纹的萌 生及平行于表面扩展有密切的关系。 w a t e r h o u s e 2 4 】于1 9 9 2 年细化了h u r r i c k s 提出的观点。其主要内容是在磨 屑不易溢出的情况如两平面或两同曲圆柱面时，随着循环次数增加，微动过 程可分为3 个阶段： ( 1 ) 初始阶段( 循环次数在数千次内) ，金属与金属直接接触占主导地位， 导致形成局部冷焊( 粘着) ，表面更加粗糙引起高摩擦。如果微动是由交变应 力引起，在该阶段将萌生疲劳裂纹； ( 2 ) 氧化阶段，在机械和化学作用的共同作用下，颗粒被氧化形成致密 的氧化物层，此时摩擦系数下降； ( 3 ) 稳态阶段，摩擦力或高或低保持稳定，接触电阻通常较高，但偶尔 短时间较低。 2 微动第三体理论 l v i n c e n t 经过一系列研究 2 5 - 2 8 1 认为：磨屑的产生可看成是两个连续及 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 同时发生的过程，即： 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 工硬化使材料脆化，并伴有白层的形成，随后白层的破碎，颗粒剥落；剥 落的颗粒被碾碎并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的大小、形状和试验参数 ( 如振幅、频率、载荷等) ； 磨屑的演化：起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级 ( 1 岬) ；在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微 米量级( 0 1 9 m ) ；磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒 ( 1 0 n m ) ，x r d 分析表明磨屑含：o 【_ - f e 、o 【一f e 2 0 3 ( 呈红色) 和低百分比的f e 3 0 4 。 微动第一体的磨损受磨屑的转变、第三体床的保持和第三体的磨粒作用 等因素的控制。而第三体床的保持或排除取决于试验条件( 接触条件) 和试样 形状【2 9 1 。多数情况下，第三体床的存在降低了粘着破坏，保护了金属表面， 减缓了磨损。 利用第三体理论可很好解释一些金属材料的微动摩擦系数随循环周次 的变化过程【3 0 】( 见图1 2 ) ，即：接触污染膜的去除，摩擦系数较低；第 一、二体之间直接相互作用增加，发生粘着，摩擦系数迅速上升，并伴随材 料组织结构变化( 如材料的加工硬化) ；颗粒、磨屑的剥落，形成第三体 床，二体直接接触逐渐变成三体接触，在第三体的保护作用下，粘着受抑制， 摩擦系数逐渐下降；磨屑连续地不断形成和排除，其成分和接触表面随时 间改变，形成和排除的磨屑达到动态平衡，微动磨损进入相对稳定阶段。 籁 i | j 瓣 畿 循环次数 图1 - 2 微动磨损的摩擦系数随循环周次变化关系示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 微动图理论 1 9 8 8 年，v i n g s b o 3 l 】考察了位移幅值、法向压力和频率等试验参数下， 进行了三种金属材料的微动磨损研究，在m i n d l i n 理论的基础上，提出了微 动图的概念。他认为微动图由粘着区、粘着滑移混合区、完全滑移区组成。 但由于试验条件的限制和试验数据的缺乏，v i n g s b o 的微动图本质上与 m i n d l i n 理论类似，没有正确反映微动的运行机制，同时对微动区域的划分也 缺乏依据。 1 9 9 2 年，z h o u 和v i n c e n t 等人【3 2 确】在针对不同材料和包括法向压力、位 移幅值、频率、材料、接触区几何尺寸和试样大小等大量试验参数进行微动 磨损试验的基础上，提出了二类微动图理论，即：运行工况微动图( r u n n i n g c o n d i t i o nf r e t t i n gm a p ，r c f m ) 矛i 材料响应微动图( m a t e r i a lr e s p o n s ef r e t t i n g m a p ，m r f m ) 。 ( 1 ) 运行工况微动图 按微动过程中摩擦力一位移幅值( r d ) 曲线随循环次数的变化，将微 动运行状态分为三个区域：部分滑移区、混合区和滑移区。大量实验及研究 表明不管哪种试验工况，微动都将运行于以上三个区域。在极小位移或较大 的法向载荷时，微动运行于部分滑移区，只有接触区边缘发生微滑，两接触 体不发生相对滑移；该区域绝大部分r - d 曲线呈线性关系，即直线型。反之， 整个微动过程中，两接触体均发生相对滑移，微动运行于滑移区，其f t d 曲 线均呈平行四边型，即任意一微动循环内，接触体均发生相对滑移。而混合 区则为介于部分滑移区和滑移区之间的过渡区域，摩擦力随位移幅值和循环 次数的变化关系十分复杂，该区域稳定阶段r - d 曲线多数情况下呈椭圆型。 ( 2 ) 材料响应微动图 材料相应微动图( 如图1 - 3 ( b ) 所示) 是一定循环次数后，对应于运行工 况图的各微动区域内的损伤情况示意图。总体上看，第二类微动图由以下三 个区域组成：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；) 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磨屑部分；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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 分析比较两类微动图，发现裂纹首先在混合区萌生，并随循环次数增加 向部分滑移区和滑移区扩展，而磨损主要产生于滑移区，部分滑移区则损伤 轻微，因此，消除和减小滑移区和混合区域可以减缓微动对材料的破坏，具 体的措施有增加法向压力、降低切向刚度、用聚合物取代金属部件等，但实 际应用中还应考虑具体使用环境、结构设计要求及其疲劳极限等其他因素， 不能顾此失彼。 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；在了解界面摩擦动力特 性的前提下，可以预见其损伤特性。 逛 鲻 星 期 逛 繇 是 燃 位移幅值位移幅德 ( a ) 运行工况微动图( b ) 材料响应微动图 图l - 3 两类微动运行工况图 1 2 1 径向、径向与切向复合及扭动微动 1 径向及复合微动进展 朱曼吴等pj 研究了三种f e c 合金( 工业纯铁、4 5 # 钢、g c r l 5 钢) 和2 0 9 1 铝合金和的径向微动和复合微动的运行和损伤的摩擦学特性。结果表明：径 向微动的载荷一位移曲线( 肋曲线) 具有两种基本类型，即张开型和闭合型 并且f - d 曲线和径向位移强烈地依赖于载荷水平和材料性质；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 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 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，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。阶段i i ：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。阶段i i i ：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 用来解释复合微动运行和损伤过程中的实际接触角度向径向微动过渡，磨痕 中心的偏移、位移值的波动、混合区f - d 曲线类型的转变等现象。 2 扭动微动进展 朱曼吴等【37 j 同时开展了扭动微动的模拟及其试验研究：在l z 5 0 钢与 g c r l 5 钢球配副时，其扭动微动试验结果表明：扭动角位移幅值和循环次数 对扭动微动行为影响很大；可以通过摩擦力矩角位移幅值( t - o ) 曲线表征扭动 微动行为；随着循环次数变化，t - o 曲线呈3 种基本类型，即平行四边形型、 椭圆型和直线型。扭动微动损伤在低角位移幅值时较轻微，随着角位移幅值增 加，出现塑性流动、氧化磨损和剥层。 p m m a 与g c r l 5 钢球配副时【38 1 ，其结果表明：p m m a 存在有平行四边 型和椭圆型两种t - o 曲线；低扭转角时，t - o 曲线随着循环次数的增加从平 行四边型向椭圆型发展；大扭转角时，t - o 曲线始终为平行四边型。p m m a 的扭动微动磨痕沿半径方向，可依次分为粘着区、微裂纹区和剥落区。在低 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 角位移幅值( 艘5 0 ) 时，扭动微动损伤较轻微；随角位移幅值的增大，粘着区 变小，损伤加重，表面出现纺锤状剥落坑自中心呈放射状分布，其尺寸随角 度增大而变宽。对磨屑的g p c 分析结果表明p m m a 在扭动微动条件下分子 量变小，p m m a 扭动微动的磨损机理主要为剥落与表面裂纹。 此外，还开展了超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 与a 1 2 0 3 和t c 4 对磨时的 扭动微动运行和损伤特性【3 9 】的研究。结果表明：扭动微动的运行特性可以 通过摩擦扭矩角位移幅值( r - o ) 曲线进行描述，u h m w p e 的曲线呈现种基本 特征，即直线型、椭圆型和平行四边型。当角位移幅值较小时，u h m w p e 的扭动微动处于部分滑移区；而较大角位移幅值时则处于滑移区。法向载荷 的增加对曲线的形状无影响。扭矩曲线可分为跑合、上升和稳定三个阶段； 本研究的有些试验条件下稳定阶段没有出现。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。当角位移幅值度较小时，磨损较轻微，磨痕中 心几乎无磨损，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。的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损 和氧化磨损。x p s 和x r d 和分析发现，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大分子链的断裂，同时磨损过程中伴随 着氧化。u h m w p e 与a 1 2 0 3 和t c 4 和两种配副对磨时，摩擦扭矩角位移 幅值曲线、扭矩曲线、耗散能曲线和扭动接触刚度的变化规律相似。 1 3 转动微动 转动微动是在交变载荷下接触副发生微幅转动的相对运动 1 l 】。转动微动 损伤大量存在于机械装备和器械中，大大缩短了零部件的寿命、直接影响了 安全生产，同时也带来巨大的经济损失，但目前对转动微动的关注及研究较 少，迄今仅见的转动摩擦磨损实验研究来自b j b r i s c o e 等o 】 1 。3 1 转动微动实例 在铁路运输行业，滚滑表面的摩擦磨损和紧配合面的微动失效是制约机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 车车辆安全运行的关键因素。高速列车的轮轴配合方式为过盈配合，由于轴 的弹性变形及运行中不可避免的振动，车轴与车轮轮毂孔之间的压装区存在 微小位移的往复运动即微动，其造成明显的包括转动微动的微动损伤现象( 如 图1 - 4 ) ，对疲劳寿命有明显的影响h 叫从而对机车的安全运行构成了极大的 威胁并严重制约了高速列车的运行速度。 ( a ) 轮轴过盈配合面的受力状况0 ) 车轴配合面损伤形貌 图1 _ 4 轮轴配合面受力及损伤示意图 汽车等小型载运工具的转向系统最容易出现问题点就是轴承和各部份 球接头的磨损，当前悬架球接头( 小弧度接触表面或较小位移幅值时属于转 动微动) 过度磨损后( 见图1 5 ) ，在行走时或转弯时，都很容易出现方向盘 问隙过大或导致车子的不稳定，危及行车安全。美国汽车巨头戴姆勒一克莱斯 勒集团2 0 0 5 年宣