（机械设计及理论专业论文）润滑工况微动磨损特性的研究.pdf

西南交通大擘博士学位论文 摘要 c ：微动是发生丁i 接触表面之间的振幅极小的往复运动，这些接触表面通常名义上是静 f r 的。由丁表面磨损和表面微裂纹的诱发和扩展，在现代高科技领域内微动导致的结构 r 、 火效不断增加，如在核电：i ：业、航天航空、高速运输、人 ：植枝等领域中。7 为了预防及减缓徽动破坏的危害，本文采用了油润滑和艏润滑二种方式，通过对钢 材料摩擦副进行人量的实验研究了位移幅值、载荷值、频率及粘度等参数变化对微动 特性的影响。并对试样进行了金相微观分析，应用微动区域的概念，系统地研究了润滑 对微动磨损特性的影响。研究结果表明润滑t 况下微动特性是十分复杂的它主要取决 丁氧化敛麻、油的渗透性、润滑边界膜特性以及微动的自清洗作用。 关键词：微动润滑微动区域摩擦特性图 西南交通走学博士学位论丈 f r e t t i n gw e a r i nl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n a b s t r a c t f r e t t i n gi sas m a l la m p l i t u d eo s c i l l a t o r ym o v e m e n tt h a to c c u r sb 刊m 雠nc o n t a c t i n gs u r f a c e v , h i c ha r eu s u a l l yn o m i n a l l ya tr e s t i tm a y g i v er i s et os e r v i c ef a i l u r ei ni m p o r t a n ti n d u s t r ys u c h a sn u c l e a rp o w e r , a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，h i g h - s p e e dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yd u et ot h e p r o d u c t i o no f d e b r i so r t h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o no f f a t i g u ec r a c k s f a c i n gs u c hh i g hr i s ki n d u c e db yf r e t t i n g , t w ot y p e so fl u b r i c a n t s ，o i la n dg r e a s e ，a st h e p a l l i a t i v e sh a v eb e e nu s e di nt h i sp a p e r ag r e a tn u m b e ro ff r e n i n gw e a rt e s t sh a db e e nc a r r i e d o u to nt h es t e e l e f f e c t so fi m p o s e dd i s p l a c e m e n t ，n o r m a ll o a d ，f r e q u e n c y , v i s c o s i t yh a db e e n i n v e s t i g a t e d m e t a l l o g r a p he x a m i n a t i o n sh a db e e ns t u d i e do nt h es p e c i m e n s f r e t t i n gb e h a v i o u r 、a sa n a l y z e dt h r o u g hf i 钮t i n gr e # m ec o n c c p t i o n r e s u l t ss h o wt h a tf r e t t i n gb e h a v i o u ri sv e r y c o m p l e xi nl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ，w h i c hd e p e n d ss t r o n g l yu p o nt h ee f f e c to fo x i d a t i o n ，t h e c a p a c i t yo fp e n e t r a t i o nt ot h ei n t e r f a c e ，t h ep r o p e r t i e so fb o u n d a r yl u b r i c a t i o nf i l ma n ds e l f - c l e a n i n ga c t i o no f f r e t t i n g k e yw o l d s ：f r e t t i n g ，l u b r i c a t i o n f r 眦t i n gr e g i m e ，f r e t t i n gl o g 西南交通太擘博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 ，基本概念 微动是发生丁接触表面上极小振幅的运动n ”。微动摩擦学是研究微动状态r 。材 料接触表面的破坏机理，以及研究如何监控或减轻这种损伤的一门新学科。通常人们研 究的滑动和滚动是一种宏观运动的摩擦方式，而微动则是一种微鬣运动，其位移幅值只 是微米鼙级。 根据运动方式的不同可以将微动分为四种模式( 如图卜1 所示) ：( 1 ) 平移式微动 ( 倒1 1 ( a ) ) ，这是一种最普遍存在的微动方式；( 2 ) 滚动式微动( 图1 - 1 ( b ) ) ；( 3 ) 释向式微动( 幽1 - 1 ( c ) ) ：( 4 ) 扭动式微动( 图卜1 ( d ) ) 【”。其中，后二种徽动形式 在i ：程领域中人姑存在，但有关的研究工作报道却还相当少，而由两种以上微动形式形 成的复合示微动也不少见，闷题更为复杂因而这方面的研究工作也就更少。 g 嘞r “ o ( c ) r 删 o 矗l 圈卜1 几种镀动形式的示意图 o 呻t 耐b “ 妇f j 微动习惯上分为3 类“】： ( 1 ) 微动磨损，指接触表面的相对位移系由外界振动所引起的微动，试件不受任何 预麻力业者承受荆定的预力( 如拉、压、弯曲应力蓦) ； 点卜q 卜愿上q 2 西南交通太学博士学位论文 ( 2 ) 微动疲，指接触表面的相对运动是外界交变疲劳戍力引起的微动： ( 3 ) 微动腐蚀，指在橱蚀介质中发生的微动。 微动引起的磨损和l 疲劳( 裂纹的萌生与扩展) 是二种的基本破坏机制，而且这_ 二种 机制在以上儿种微动类型中均存在。 2 ，破坏实例 微动可以引起表面磨损导致零件松动，功率损火或噪音增加，或磨屑聚集造成近 动副咬死。更为严重的是由丁局部反复应力作用f 使表面缄砸表面层产生微裂纹，继而 发展成疲劳断裂人人降低了构忭的疲劳强度池“”。 1 9 6 9 年，我国先后发生两架直升飞机在刚起e j i 亓醛地事故。故障均是由发动机土连 卡f 折断造成，对断裂部件进行冶金质量检查和力学性能测定，发现断裂处无冶金缺陷。 但曲拐孔山肇观察到明显揉伤区揉伤区内有花纹状红褐色斑痕、小坑及微裂纹，疲劳 裂纹起源丁揉伤严重部位。经分析，主连杆曲拐孔在工作中承受着十余吨重的动载荷， 随着载荷周期性变化，曲拐孔与衬套之间出现了微动。微动造成曲拐孔揉伤并出现枯羞 斑，导致裂纹萌生”。 在核l + 业原子反麻堆中，徽动磨损是一个很突出的问题，由丁起冷却或热交换作刖 的气体或液体流动时的紊流、涡流或流速波动引起的微动，是导致热交换器和压力管燃 料元什损坏的主要原冈2 一【“。 ( - )恤) 图卜2 车轴徽动疲劳( 冷切) 示意图 铁路机下下辆下轴压配合部( 车轴轮座部) 的损伤是微动破坏典型实例。午轴是机 下午辆走行部的芙键部件它在运行中承受交变载荷和轴颈后部的对称弯曲麻力，使在 与轴承过盈配合的轴颈表面上，或在与轮毂过盈配合的轮座表面上，或在与机下传动齿 轮过盈配台的齿轮镶入部，产生极其微小的相对位移即微动，如图卜2 所示。微动所 西南交通大学博士学位论文 造成的表面损伤如产生氧化磨屑、表面形貌变化、表面或弧表面塑性变形或出现微裂纹， 住循环麻力作h jf 可以引起裂纹的扩展，导致疲劳强度降低或断裂。有文献指出，微动 损伤可使下轴疲劳强度卜降4 0 左也，、n ”。与车轴相类似，像一些热套配合和乐配合 的配合面、轴承雨l 轴承庠之间的紧再己台面都可能产生微动，引起微动损伤”。 接触网夹紧机构是接触网关键部件，其破坏危及列中运行安全，闻火效而过甲- 地更 换带来了较人的浪费和经济损火。在列车运行过群中，受电弓对接触网有一个较人的冲 击力，由冲击产生的振动使上述紧配台部位产生极小相对滑动，在运行的初期就会产生 微动损伤，结果使圳寿命显著降低尤其在腐蚀环境下( 如酸雨) 问题更严重【h 】。 钢缆( 绳) 铍广泛刚- 丁起重机、卷扬机、斜拉索桥、高空缆车、船舶等。单股铜缆 由钢丝与相邻钢丝层以相反的旋向缠绕在一起，钢丝间的大鼙接触点构成网格状接触。 由丁承载和卸载，导致接触点之间发生微动。对于封闭式钢缆来说。所形成的微动磨屑 迫使金属丝发生分离，导致润滑剂流失腐蚀性气体侵入钢缆内部。积累起来的微动磨 屑还使钢缆在该点处的柔性降低，如卷扬机钢缆，当钢缆通过鼓轮时，会引起钢缆震颤n 旧。 总之，微动在结构l ：程中是f “泛存在的，如在机械传动机构( 各种乐配台元件、链 接什、螺拎、键、销、联结件、各种齿轮、凸轮等) 、人r ：植艘、运输i ：程、斜拉桥等 l ：业系统中，微动己成为影响机构寿命的主要原因之一，闳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 2 微动摩擦学的历史回顾 微动摩擦学的发展一般可概括为三个时期。从1 9 1 1 年微动现象的发现至三十年代末 期是初始阶段，这段时间人们主要是发现微动的破坏现象。1 9 11 年，e d e ne ta l 等人公 开发表了一篇试验研究论文“t h ee n d u r a n c eo fm e t a l s ”( 金属的耐久性) ，描述了疲劳 试验的夹紧什出现锈蚀，使试件难以从夹紧件中取下的现象1 2 ”“”，但无法对此种现 象作出解释。这是首次提出微动现象的研究论文。1 9 2 4 年，g i l l e t t 和m a c k 完成的金属 疲劳试验研究表明试件没有在预期的部位破坏，而是在夹紧部位破坏了，提山了机器啮 合处疲劳寿命减小的现象，但他也未能作进一步地解释“1 3 1 。1 9 2 7 年，t o m l i n s o n 第一次对微动进行了系统的研究【2 “、“】，他设计了专fj 的设备，发表了研究心得，他 3 一 西南交通大学博士学位论文 清楚地认识到侵蚀是第一个冈素，而表面损坏是由丁小位移运动产生他描述了微动过 程及提出了微动破上4 ：机理。他认为发生微动损伤的条什是“表面必须紧紧地压在一起” 升“不停地来同振动”这两点至今被公认是产生微动破坏的基本要素。他同时提示了e d e n 等人所观察的锈蚀不是静i r 状态发生的而是接触表面有某种微小相对滑动情况f 产 生的，即微动侵蚀。研究报告中首先使h j 了“f r e t t i n g ”( 微动) 一词 1 1 】。此后愈来愈 多的人从事了这方面研究，虽是零散的研究，但对于人们逐渐认识和理解微动现象导致 机仆的火效却有不少帮助。 微动发展的第二阶段是从4 0 年代初至7 0 年代末】，该阶段是微动研究的一个巫要 阶段，人们开始不断探索微动磨损的机理，提出了许多有益的理论。1 9 4 1 年，w a r l o w d a v i e s 进一步研究微动的材料疲劳特性翻“，他是早期提出微动加速了疲劳损坏概念的人，他对 钢制试仆进行了研究认为由于微动，使试件的疲劳强度下降了1 3 - 1 8 。1 9 4 9 年，m i n d l i n r d 提出了接触问题中的局部滑移问题的求解方法，解决了接触物体受切向力作h j 时的 受力计算分析，奠定了微动力学分析的基础m l 。5 0 年代，微动研究得到了很人的发展， 其问提山了二种比较典型和f 著名的理论，这就是1 9 5 4 年u h l i g 提出的化学机械理论m 希1 9 5 3 年f e n g 提出的磨损速率变化理论阳l ，同时代人们也认识到了磨损过程中的氧化 作h j 。特别值得一提的是在1 9 5 2 年，s a t m 组织了第一次微动侵蚀的专题会议，会议共发 表了5 篇微动论文，这是微动研究中的一个重要时刻，闪为它使同一研究领域的研究者 聚集一堂井提出共同关注的问题，激励了研究活动。这次会议人们描述了摩擦氧化、脖 擦腐蚀、侵蚀渗透和摩擦锈斑等一些微动产生的现象“】。1 9 6 3 年，美国军队对微动侵 蚀问题领域也开始关注，发表了文献同顾i l ”。1 9 6 4 年后，研究者广泛研究了各种麻_ l _ | j l ：挫中的机械微动磨损乖i 微动疲劳的问题乜”象金属导线、矫形植入、机翅转动元中卜激 振以及喷气发动机、增压轴和发电机组等。1 9 6 8 年后，n i s h i o k ak 等做了一些有意义的 研究i ：作“ 】，提出一个微动疲劳的模型理论，可以根据滑移振幅、接触压力和材料的信 息预测微动疲劳寿命。1 9 7 0 年，h u r r i c k s 对微动机理进行了综述，提出了微动机理一般 有二个阶段，即初始粘着和金属的转移、癌屑氧化以及磨损的稳定阶段】。1 9 7 1 年， 第一届国际侵蚀疲劳会议举行，会议上发表了火量的微动疲劳论文，提出了微动疲劳损 伤门坎值的概念，在会议期间，w a t e r h o u s e 努力促成了第一本与微动相关的1 ；籍发行”， 这本1 5 成了该领域研究者的经典文献，直至今天仍在使用。在7 0 年代期间人鼙的微动 疲* 研究论文发表了，研究者总结了微动磨损表面损伤机理，使微动疲劳损伤的概念得 一4 西南交通犬擘博士学位论文 以发展，引入了疲劳损伤门坎值。这时的研究土要是针对钳合金和钛合金。同时，把有 关微动机理概念麻h j 丁l 稃设计中，预防和减轻微动磨损等方面的研究也在进行。至r 环境影响作刖等因素也有所研究。1 9 7 4 年，在德国m u n i c h 召开了一次“航空系统微动磨 损”的专题会议，发表了一些相荚丁航空系统的微动磨损问题的论文n ”。目本从7 0 年 代也开始了微动磨损的研究，e n d o 和g o t o 乜“”，应用了断裂力学概念分析微动损伤。 8 0 年代至今，是微动发展的第二阶段。随着现代l ：业的发展，高可靠性和妖寿命的 要求引起了科研r 作者对微动损伤的高度重视，研究人员迅速增加，近十多年来发表的 论文l i i 发表论文总数的6 5 【3 l 。1 9 8 1 年，w a t e r h o u s er b 编辑出版了由1 0 篇论文组成 的微动疲劳论文专集“f r e t t i n gf a t i g u e ”n ”。该专集对微动疲劳最新的研究成果进行 了阐述。1 9 8 1 年，b i l l 发表了一篇有价值的论文比较了微动磨损与微动疲劳的作州h ”。 1 9 8 4 年，g o d e tm 、 b e r t h i e ry 和v i n c e n tl 等人提出了微动的二体理论【2 ”，该理 论对我们认识理解微动磨损过程有较大的帮助3 0 3 “。1 9 8 5 年，“w e a r ”杂j 占编辑山版 了在英国n o t t i n g h a m 召开的“f r e t t i n gw e a rs e m i n a r ”会议专集。共发表论文1 5 篇。 对微动摩擦学的研究结果进行了一次总结 3 2 ，。1 9 8 8 年，v i n g s b o0 b 提出了微动酗的 概念 x l l ，直观地分析了微动的特征与性能。1 9 8 8 年，“w e a r ”杂志社在w a t e r h o u s er b 退休之际，编辑出版了为表彰他对发展微动摩擦学所做出的贡献而收集的1 3 篇论文专集 ”。1 9 9 2 年，z h o u 【“，”t ”，”等人提出了二类微动圈的概念，它揭示了微动的运行机制 平破坏规律。九十年代后，对丁二预防微动破坏的研究方面更为重视【3 “4 ”l 。 我国对微动摩擦学的研究【：作起步较晚，有，乏的文献报道始丁i 八十年代初期“”，2 斤逐渐得到发展。1 9 9 7 年1 1 月，我国举办的首届国际微动摩擦学专题会议在中国成都举 行，会议集中了众多国内外著名微动摩擦学专家使国内同行及时了解了国际新动态， 促进了我国该领域的发展。近年来我国开展微动摩擦学试验研究的单位已有二十多个， t 要是对材料学和i 摩擦学具有研究实力的高等院校和科研院所，以及对开展微动损伤研 究有迫切要求的机构和企业。但至今，在疲劳寿命设计，可靠性设计及强度标准中，仍 没有把微动损伤的影响考虑进去，在故障分析中也没有这个概念。而微动摩擦学是一fj 速发展的新型交义学科，微动损伤在高科技领域如航天航空、核l ：业、高速运输等等 已成为一个，火效破坏的土要原因。因此积极开展该学科的研究，缩小与先进国家研究的 筹距，将有助丁我国高科技技术的发展。 西南交通大学博士学位论文 1 3 微动损伤理论概述 在提出微动现象后儿十年的历史中。科研i ：作者进行了人簧的研究i 作，对丁认识 雨l 了解微动现象起到了极人的帮助。微动磨损的破坏机理是不同丁| 通常的粘着磨损、磨 粒磨损、氧化磨损和疲劳磨损机理的一种特殊磨损。其破坏过程常常涉及到了上述四种 磨损机理。冈此对其破坏机理的解释是十分困难的。对微动机理的认识，主要是在人鼙 实验观察的基础上，逐渐建立起来的，其中一些有益的结论对微动摩擦学领域的研究产 生过较人的影响，逐渐为人们所认同和引鉴，而成为微动磨损的理论。现就具有代表性 的微动磨损理论概述如f ： 1 1 j h l i g 机械和化学共同作用理论扭。7 1 u h li g 理论是u h l i g 丁1 9 5 4 年提出的机械和化学共同作阁理论。他认为在通常条什 f 由两种冈素导致材料损失，一种是化学性质的，一种是机械性质的。由丁相对运动的 两表面上凸峰点的摩擦，将氧化层和吸附的气体刮掉，露出了清洁而活泼前新鲜金属表 面，这是机械冈素。在每一凸峰点通过之后，新鲜金属将迅速吸附大气中的气体并发生 反麻，形成氧化物，这就是化学作用，机械和化学作用交替造成材料损火，因此氧化膜 愈厚则磨损鼙愈人。u h l i g 的模型如陶卜3 所示。u h l i g 还根据微动滑动循环过程金属表 面上氧化物形成苗推导山磨损量的定量公式，这在当时是十分不易的。 圈1 - 31 j h l i g 金晨表面擞动损伤的模型 u h l i g 理论把氧化作用和机械作州孤立地看待，是其理论的不足之处，并在定越公式 推导中返h i 描述宏观滑动的一般磨损方法来描述微动损伤，因而未体现出微动小振幅位 移磨屑不易排出的特点。此外对氧化作用认为都是有害的，忽视了一些金属表面氧化膜 能很好的起保护作j j 的一面。因此理论只是在限定条仆f 才符合。此外没有考虑微动过 科中的阶段变化也是其不足之处。 6 一 西南交通大学博士学位论丈 2 f e n g 和r i g h t m i r e 的磨损速率变化理论1 2 、”i 1 9 5 6 年f e n g 和r i g h t m i r e 根据实验结果，将微动磨损随着循环次数的变化分为四个 阶段，磨损刚剐开始时，接触表面的大量凸峰迅速被磨掉，重龋损火速度人，即磨损速 率增人，凸峰磨掉斤转入磨粒磨损初期，磨损速率减小这即为初始阶段。过了磨粒磨 损初期磨粒的作川变得显：并磨损速率变火。即为过渡阶段前半期。之后，磨肩集成 一定的j 争度，磨粒作刚减轻，使磨损速率略有f 降，为过渡阶段的后半期。展后的阶段 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。 f e n g 等人对微动表面经常出现的大深坑的形成过程提出了独特的解释，其模型示意 幽如幽卜4 所示。当两接触表面的凸峰互相接触时相对滑动中产生的磨屑落入凸峰点 之间的空隙里，如图卜4 ( a ) 所示，随着磨屑量增加，空隙被填满，磨屑成为磨粒，变为 磨粒磨损过稗，在磨粒填充作用f 接触区域形成了一个小平面，如图1 - 4 ( b ) 所示。此 斤磨屑随着磨粒磨损过程而不断增加，晟后磨屑开始流进邻近的低洼区，如幽l - 4 ( c ) 所 示，并在边缘上溢出。磨损过程中接触区压力发生变化，由于徽动幅值较小，中心区磨 粒不易溢出中心乖直区压力增加，而边沿由于磨屑外溢作用压力降低，这样造成了 中心的磨粒磨损比边沿强烈，结果形成接触区中心的深坑。由相同的过程，可使许多小 深坑联结变化成为人深坑。 ) 叠一o _ ，少i l c i 图1 4 徽动磨损的发展过程和大深坑大形成 7 旱 西南交通大学博士学位论文 这个理论可以解释许多材料的微动磨损过程，特别是彼女，地解释了表面变相糙的现 豫为许多同彳j = 所承认。 3 l v i n c e n t 等人提出的徽动第三体理论【“3 1 9 8 4 年，lv i n c e n t 等人提出了一种新的微动第二体理论米解释微动磨损现象。该 理论认为金属之间的磨损可分为二个过科。 ( a ) 磨屑的产生 ( a ) 接触材料发生粘着和塑性变形。 ( b ) 强烈的加i ：硬化和结构变化。 ( c ) 微裂纹形成和磨屑脱落。 ( d ) 磨屑碎化和流动。 ( b ) 磨屑的演变【对钢材料而言) ( a ) 磨屑轻度氧化，大小为i l l l l 级 ( b ) 再氧化，人小为l o “邶级，警褐色， ( c ) 磨屑高度氧化，1 0 1 岬级，呈红褐色。 应_ 【 j 第三体理论可以很好地解释磨擦系数一位移一时问变化的三维微动幽，如幽卜 5 所示，对钢铁材料而言，其过程如f ： 图1 _ 5 微动摩擦特性图 ( a ) 接触初期，表面污染膜的逐渐破坏使金属与金属表面之河的接触面积逐渐增加 一8 一 西南交通大学博士学位论文 粘着脖擦力增人，直至最人值，这时摄人最深的塑性变形层出现在接触区内导致了表 面加r 硬化并伴随蓑结构的变化，对钢而言是形成了表层很脆的白层。 ( b ) 磨粒的产生。脆性区接触不再伴随变形而产生磨屑表面破坏相应地粘着摩擦 力随之有所p 降形成了_ = 体向二体的过渡阶段。 ( c ) 磨粒的演化。对丁磨粒，初始是金属的，然后被碾碎细化氧化。随着磨屑被碾 碎细化氧化形成一个粉尘垫增加了磨粒与金属的接触面积，即三体接触。表面_ 2 问的二 体运动可使摩擦力保持在一个相对稳定的状态上。 ( d ) 磨屑不断形成承| 排出，其成分及接触表面随时间改变 第二体理论有明确的力学概念，基于宏观与微观相兼顾的一种认识，目前是一种对 金属而育较为完善的理论。 4 微动图“，她3 7 ”1 1 9 9 2 年，z h o u 通过了火量试验证明每对摩擦副同时存在的材料的二类微动闰。 运行工况微动图 接触表面间的摩擦力和位移的变化曲线是微动最基本、展重要的信息，结合微动的 循环次数( 时间) ，可以描述整个微动的动态变化过程。大量的试验表明微动存在三种 基本的摩擦力( f t ) 一位移( d ) 变化闰( 见图l 喝) 【“l ： 封闭状 椭圆敞平行四谊形 ( 1 ) ( c ) 圈l _ 8 摩擦力与位移的变化 1 f t d 曲线基本封鲥，节直线形( 见圈卜6 ( a ) ) ，其力学特性符合m i n d l i n 理论 接触表面处的f 市移主要由弹性变形控制： 2 ，f t d 曲线完全打开，鼍平行四边形( 见图1 6 ( c ) ) ，接触表面处发生较人韵相 o 西南交通走孝博士学位论文 对运动( 滑移) ： 3 一f t d 曲线处丁以上二者之间似椭圆形( 弛| 璺| 卜6 ( b ) ) 除弹性变形外，尚有 接艘袁层的塑性变形的发生。 圈i - 7 徽动摩擦特性圈( 铝合金材料) 试验表明微动过程主要由以上三种基本的摩擦力( f t ) 一位移( d ) 图组成，并可以 分为f 列二个微动区域( 见型i - 7 ) 西南交通大学博士学位论文 部分滑移区域：除微动初期极少数摩擦力一位移曲线轻微打开外，整个微动过拌的摩 擦力一位移曲线基本封闭，摩擦力相对稳定几乎不变化( 地图卜7 ( a ) ) ，显微观察 表明：接触边缘有微滑发生，但接触中心存在一粘着区，两接触表面不发生相对运动。 滑移区域：孛! 擦力虽有较人的变化但整个微动过群的摩擦力一位移曲线早平行四 边形，闻此在任一循环内，两接触表面都发生了相对滑移( 见幽1 7 ( c ) ) 。 混合区域：介丁二者之间的区域，初期微动的摩擦力一位移曲线显示接触表面有较 人的相对滑移，随着循环次数的增加，摩擦力迅速增长，摩擦力一位移曲线基本封闭， 经过一定的循环次数摩擦力一位移曲线突然打开，然后义走向封闭，经一次或儿次反 复。逐渐稳定，簿擦力一位移曲线鼙椭圆形( 见图卜7 ( b ) ) 。 无论何种试验。1 ：况，微动的运行总是处于上述二个区域之一。 由此可以得山第一类运行一1 ：况微动1 1 6 i ，如图卜8 所示：在不同的1 e 乐力和位移卜 可以获得二个微动区域。图中可以看到，在极小的位移或较大压力下，徽动过程处丁部 分滑移区域：反之，整个微动过程处于滑移区域：混合区域介于二者之间。 图1 _ 8 运行工况徽动圈 材料响应徽动圈 第- 二类微动瑚进一步说明了材料徽动损伤机理如图卜9 所示，相对应丁第一类微 动幽不同区域，在绘定的循环次数下，微动存在二种破坏方式，一是由微动引起的磨损， _ 二是由微动引起的裂纹萌生和扩展。 研究发现，混台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 时伴有较人的表层冷作硬化和少蛩磨屑；滑移区经常导致磨损有大量颗粒剥落形成， 在试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 一1 1 西南交通太学博士学位论文 触边缘，在微动斑内不易观测剑明显的表面损伤。 实验证明，材料响席微动豳与微动循环次数有密切关系，裂纹r 随着循环次数的增 加向磨损r 。尤其是轻微损伤区扩展。 图l - 9 材料响应徽动图 微动幽的理论对微动研究具有十分重要的意义，使人们更为深入地理解微动损伤机 理。同时提出了在进行徽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。 1 4 本文研究内容 l ，问题的提出 微动不仅会造成表面的破坏，而且会萌生表面裂纹，导致零件疲劳寿命的急剧。卜f 醉， 冈此如何预防和减轻微动所引起的表面破坏和疲劳寿命降低。己越来越受到的重视，如 采瑚表面薄膜伽、表面复合技术“1 以及润滑方式”等。润滑脂和油，一种经典 减轻磨损的方式，已经被广泛地应用于机械系统内的备类摩擦副上，其主要减蘑作肘避 减轻氧化作h j 和降低摩擦系数。近年来已有少量文献报到油、脂润滑对微动的影响作用 平探讨润滑i ：况r 的微动机制。 日本舶j s a t o 等人认为润滑条纠1 下微动磨损往往处于边界润滑状态n ”，这是由锨 动的相对运动速度所决定的，通过试验研究，作者认为微动特性是受油品性质所；尖定的， 取决丁发生在润滑剂与金属表面间的化学反应。千汝霖教授和陈人鹏分别在试验研究中 西南交通大擘博士学位论文 发现“州，润滑脂的组成和性能对微动损伤有影响基础油加上稠化剂后，抗微动磨 损能力有所提高。还有一些相关的文献，主要是研究油品对微动损伤的影响作_ i j ，如 r b w a t e r h o u s e 等人在对钢缆润滑的研究中发现油品或添加剂对微动磨损会有一定的影 响t “】。r f b a k e r 等人对油润滑剂存在条件卜进行直接的试验观察”，结果发现干 态f 磨屑 = 出是住接触区的附近丽有润滑荆时。部分磨屑被渗透到润滑荆中带走， 有清洗作，同时润滑i ：况下磨痕周边没有氧化的磨肩存在，这与干态是不同的。z h o u 探讨了脂对台金铜徽动特性的影响潆】，通过试验研究得出脂对徽动蘑损特性有一定的影 响作h j 。在损伤机理方面，润滑脂在摩擦过程中有可能分解成二种状态，有油淅出，在 胯擦过程中会有油喷射的现象它有可能加速了徽裂纹的扩展。m 轴l i n 认为油不仅是润 滑荆“”，也是化学反虑物质参加了化学反应。摩擦化学膜在塑变乖j 进一步摩擦中破坏。 但它的存在明显降低了磨损速率和磨损量。 上述文献均是从某一个方面进行研究，研究内容一般没有涉及微动区域，缺乏系统 性这士要是对微动区域进行润滑特性的研究需要可靠性好、精度商的试验设备做人苗 的试验l 作，这是不易做到的。而人们要清楚地了解润滑对微动的影响，就必须席坩微 动区域的橱念系统地分析研究润滑1 ：况卜的微动磨损特性。本文的主要研究j ：作莸是嗣 绕这一士题进行。 2 ，本文主要研究内容 ( 1 ) 应h 微动区域的概念，系统地分析比较了干态和润滑状态下的微动磨损机制。 ( 2 ) 研究润滑介质对微动的影响。 ( 3 ) 在干态雨l 润滑i + 况下研究位移幅值、载荀值等参数变化对徽动的影响。 ( 4 ) 通过微观分析方法研究了微动磨屑形成的原因和过程，探讨微动损伤的机理。 】3 西南交通大学博士学位论文 第二章受力分析 为了使两个相互压紧的物体作相对移动，需要施加一定的切向力在切向力小丁两 物体的最人静摩擦力时，物体处丁相对静止状态，力学分析表明物体在开始作宏观滑移 之前，就作了与切向力成正比的微观滑移。本章就球体与平面接触时切向力作j 1 卜_ 受力 分析进行了描述。 2 1 静止接触状态 无摩擦力作蚶对。球体与平面压在一起的法向力分布及接触区域可通过h e r t z 理论 进行求解睇】。 对丁材料是均匀、各向同性、完全弹性的物体，表面光滑，球与平面接触时，可利 _ i j 变形方张、物理方狴及静力平衡方程求解出接触方程。 首先假设为两个凼球相接触，球的誓径分别为r l 和r 2 ，如图2 - 1 所示，接触是从公 切平面上0 点开始的这时在两球子午面切线上，与轴z 1 和z 2 相距很近距离r 处的两 点m 莆 n 的坐标z l 帚iz 2 可以近似地表示为： z l ：，z 2 ：二( 2 1 ) 2 r 12 r 2 图2 - 1 变形示意图圈2 - 2 压力分布 西南交通大学博士学位论文 而m 和in 两点间的距离为： m 趾喘，令：声= 等 二物体在法向力p 作_ h j 卜，0 点法向相互压紧，接触处发生弹性变形，形成一个捌 形接触区域。而m 点在局部变形所产生的变形为w l ，方向为7 1 轴方向记表示球体( 2 ) 卜点k 由3 - - 局部变形产生的沿7 2 辅方向位移，则两球中心0 1 、0 2 彼此接近的距离为6 ， 由丁局部变形冈而有变形方程： 占= z 1 + z 2 + w l + w 2( 2 2 ) 由弹性力学可知，弹性半空间体受分布载荷作用时法向变形位移表达式有： 小等m 办却 ( 2 s ) 式中，e 1 ，v 是弹性常数，分别为弹性模量和泊松比。 同舸得耽的表斌令堋：等，胞：鲁 则有： w 1 + w 2 = ( k i + k 2 ) j q d s 彩 ( 2 4 ) 现问题即为如何寻求一个压力分布以满足上式求解。h e r t z 认为二球体接触时接触区 域为圆形，而接触区域上压力是按“半球”体规律分布的这一假设即可使求解获得解 析解，同时义铍许多试验所验证。如图2 - 2 所示，设q 。是接触中心0 处的压力，于是有： q 0 = k 口 其中k 是常数，把接触压力沿弦肺进行积分则得： k d s = q o f o a ( 2 ，5 ) 闪为q 是、f 球体，所以任一处切开q 沿s 积分就是s 上r l 为半径的q 的总和，即 q 。f r l ，两f 以r l 为半径的面积。同理，上式中f 可求得： f = 考g 2 s i n 2 ) ( 2 6 ) 上述备式代入方程( 2 2 ) 中可得： 西南交通犬擘博士学位论文 ( k 1 + k 2 ) r 口- q o r a ( a 2 _ r 2 所n 2 妒) 却= 占一卢，2 ( 2 ，) 积分扁得： ( k i + k 2 ) 华( 2 a 2 _ r 2 卜节r ： s ， 对y - 任何r 值，此方程均成立，阑此有 占：( k i + k 2 ) 华 眨。， 扣( k 1 + k 2 ) i r 2 丁 q 0 ( 2 1 。) x 接触面上压力的总和等2 r - # f 加压j jp 即可求得q o 值为： p q _ 0 _ 0 三毋口3 a3 嘲：_ 三乓 ( 2 1 1 ) - 。9 02 五了 2 1 1 上式各式整理求解可得卜述表达式： 口3 ：生p - ( k 1 + x 2 ) r 1 r 2( 2 1 2 。)口。= 代l 矗【2 压力分布为： 小爿 慨埘 d 3 = 半巾p ( k 1 + 舰) ( 2 1 4 ) 4 2 2 切向力产生的滑移 为了使球体产生切向位移，必须施加一个切向力q ，现在首先需要研究的是表面之 闻的切向力作j j 是否影响接触区域的形状和大小，以及是否影响法向压力的分布。 1 6 西南交通大学博士学位论文 已知切向力瓯作_ l j 时产生表丽上位移的法向分鼙u 。的表达式为“1 ： 吩燕融南 c z 旧 式中： p 2 = x 2 + ) ，2 + z 2 上式表明在：等于零豹平面上u z 是与弹性常数! ! 二妥生成正比的。在接触面处， 作h | 在每个表面上的切向力致值上是相等的，而方向相反，即： q l ( x ，y ) = - q 2 ( x ，y ) ( 2 1 6 ) 冈北，由丁这些力的作用，法向位移是与每个物体弹性常数成比例的，即有： 而g 1 u 加) = 高吲而y ) ( 2 1 7 ) 由此可得如果两个物体具有相同的弹性常数，则在两物体之间所传递的任何切向 力对丁援竟虫面上的任何点产生出大小相等而方向相反的法向位移。因此，一个表面的变 形与另外一个表面的变形完全一致，并且不影响法向压力的分布。本文研究的接触物体 材料相同，故由此可推导出接触区的形状和大小也肉此由两个表面的外形和法向力所确 定，不受切向力的影响。 冈此在分析切向力0 作_ j 影响时，我们可认为法向力p 产生的接触区域和压力分布 是不受切向力q 影响，是与p 作用时的h e r t z 理论计算结果一致的。 切向力q 的作t l j 会使物体产生剪切变形，如图2 - 3 所示；在切向力q ( ”p 鼯小丁 极限摩擦力时，接触区界面上会产生一小部分的相对运动，称为滑移，而交界面的其余 部分没有相对运动而只发生变形，这种区域叫做粘羞区或称粘附区，图2 - 3 中a 1 和 2 代表切向力q 施加前的两个点，在力的作用下物体中像t 1 和t 2 远离接触区的点上， 实际上由丁刚性位移6 6 ，。和6 5 ，。而运动，另一方面a 1 彝la 2 经历相对t 1 和lt 2 的切 向弹性能移u 。u ，和u mu 。2 ，如果a 1 和a 2 的绝对位移以s ”s ，。和s 。s ，= 来表示， 一者之间的滑移分繁可写为： s 。= s ，l s ；： = ( u ，l 一6 、i ) 一( u 。2 6 。i ) 一1 7 西南交通丈擘博士学住论文 ：( l 、：乙，2 ) 一( 6 。】一6 。2 ) 同样可得y 方向的切向位移表达式。如果 l 和a 2 位丁粘着厦内，划滑移龉s 。平| js ， 将为零，卸有： u 、i l 、：6 。l 一6 n = 6 ， ( 2 - 1 8 ) 我们注意剑上式中心边表示的是在切向力的作_ jf 两个物体之间的整体相对切向位 移，冈此在粘着医内6 ，霸1 5 ，是常数，与点a l 帚；a 2 的位置无芙，恧且，晒个物体贝_ 有相 同的弹性模鼙，由丁它们受到人小相等而方向相反的表面力的作_ i j ，即可认为； l 、l = u n ，u 、1 = u ，2 ( 2 - 1 9 ) 萄2 - 3 变形位移示意圈 阅此，式( 2 5 ) 可表述为在粘着区内所有表面上的点经历了相同的切向位移。在 轴着医出的各点上，总的切囱力不髓超过它的极限值，设表面摩擦系数为弘，这个限制可 以h jf 式表示： g ，x 洲j 户( 工，少) f ( 2 _ 2 0 ) 两且。睁棒力q 。的方岛必须与滑移方向摆反e 式( 2 - 1 8 ) - - ( 2 2 0 ) 提供了一接触界面上的必须满足的边界条件， ( 2 1 8 ) 羊( 2 - 1 9 ) 适埘r 粘着， ( 2 2 0 ) 适用丁滑移医。关于接触中粘着医和滑移区分界事先是未知的， 必颈由试算来确定所以求解这类问题时有一定的凼难。通常情况是首先假驶在接触匣 西南交通大学博士学位论文 中无滑移进行计算。 1 ，球体与平面的接触，无滑移 球体在法向力p 作h 卜与平面接触形成一个圆形的接触区域其* 释由式( 2 1 3 ) 确定，并由式( 2 一1 2 ) 确定其压力分布。如果再施加一个切向力q 而在接触医处产生无 滑移的弹性变形，则由式( 2 5 ) 可知，接触区域上备点的切向位移是相同的，如果力q 平行丁x 轴则相应的切向位移也平行于x 轴，而相同弹性模量时切向力不影响接触瓯 域，所以切向力也是按瞄形区域对称分布的，切向力分布式为： g ，p ，= 口，。( 一事 一“ c z z - ， = 鲁 式中，a 为接触# 径。 式( 2 8 ) 的剪切力分布不同丁法向压力分布，之所以这样设定剪切应力分布是为 ，使计算的结果与边界条件相一致。位移求算相协调。知道切向力分布后即可推导出由 切向力毗产生的相惠的位移值为“、”】： 蜘掣口 协z z ， 代入( 2 5 ) 式中可得t 1 和t 2 之间的相对切向位移值为： 耻u ，也z = 鲁等 ( 2 _ z s ) ( 对丁相同材料，v = v l = v 2 ，g i = g 2 - = g ) 图2 4 位移变化曲线 1 9 西南交通走学博士学位论文 关系式表示住i 兰l2 - 4 中可得切向位移与切向力成止比，即o a 曲线，此时切向仲移6 。 是弹性变形位移蟮。 2 ，球体与平面的接触，部分滑移 接触中糕个接触r 域无滑移会使周边上的切向力达到一个无限人的值，这是实际中 不可能的，即实际上切向力q 。作并i 下接触区边缘上总是存在一些微滑移区域，即当切向 力q ， 妒( 极限摩擦力) 时，接触区域总是由粘着区域与滑移茯域纽成的。从式( 2 8 ) 切向力的对称分布性可判断出此时粘着区也是嘁形的，何丁接触区中心。对丁滑移区 切向力与止压力存在关系式，q ，t 岫，故可得切向力分布表达式为： 州w 脚吲w 一咖 - 一身 协z 。， 图2 轴线平行的圆柱体接触 ( q “p ，曲线概滑移；曲线脚分滑移) 而由切向力产生的切向位移为： 叱= 慧【4 ( 2 一u 净2 + ( 。一u ) 工2 + ( 4 - 3 0 ) y 2 】 z a ) 而在粘着区内仵_ h j 的切向力小丁i 极限摩擦力，即q ；“q ，因此必定作圳着一个负 2 0 西南交通大学博士学位论文 的切向力分布( 幽2 - 5 ) ，此分布力在轴着圆上，为 嘶咖一知( 1 - 身必 。， 式中c 是粘著圆的r 径。而此切向力产生的切向位移为 u ；= 一吾- 慧【4 ( 2 一曲c 2 + ( 4 一小2 + ( 4 3 咖2 】z s ) 冈此在粘着区内，切向力分布为q 和q ，之雨i ，所以可得接触区上切向力分布为： 舻川。( t 一身 口z ， 轳m 。l i - 刊、- 扣。( 一目衙。啪， 叫川= 甏( 2 一似口2 一c 2 ) ( 2 _ z 。) 雨粘着的、f 径c 可由切向力值确定，计算方法为： 绞= e z 叩尸( 1 _ 爿 由此可得： ( 2 3 0 ) 耻z = 詈( 刨一( t 一卅睁s ， 由式( 2 3 1 ) 可得6 ，与q 、的关系是非线性的表达式，参见图2 4 中的o b 曲线。 瑚 c 一口 西南交通大学博士学位论文 2 3 切向力激振作用 微动过程中，接触物体在恒定的法向力p 作用f ，接触物体之间要往复运动必须对 物体施加一个往复的激振切向力q 。，现我们来分析在两种情况一卜往复激振力的作刑影响。 其一是激振力q ，始终小丁极限摩擦力妒，接触i 叉：内总存在粘着医域的特征；其二是激振 力人丁戏等丁极限摩擦力二物体处丁滑移状态的运动特征 1 粘着状态时切向激振力的影响 从日常经验可知，为了使两个相互压紧的物体作相对滑移需要施加一定的切向力， 在没有达剑所需的力之前物体处丁相对静止状态。但从上讧的分析中我们已知道，实 际上物体在开始作宏观滑移之前，就作了与作用力近似成正比的微观滑移了。 圈2 喝物体预位移运动形式 前苏蛾学者早在1 9 2 6 年发表的试验结果就已表明物体的预位移运动形式“。试验 是使两个环形试样断面相接触而对其中一个试样施加同转力矩使它滑移，如图2 - 6 所 示。试样表明仅仅在起始阶段，切向滑移力才与位移成正比。随着趋近于极限位移，这 两个鼙z 间的关系明显地表现为非线性，滑移位移量迅速增加，这就描述了不完全复原 的现象，即如屡在位移6 达到一定值后将切向力减小至q 零，则沿着初始位