（机械设计及理论专业论文）钢和铝合金复合微动损伤机理初探.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第f 页 摘要 f 切向微动、径向微动、滚动微动和扭动微动是四种基本的微动运行模式， j 1 日n 绝大多数的研究都集中在切向微动，至今尚未有对两种基本微动模式复 合的研究。本研究试验在新型径向微动实验装置上对夹具系统进行改造，通 过倾斜平面试样，成功地实现了切向微动与径向微动的复合。) 7 7 。 本文选用6 c r l 5 钢g c r l 5 钢，a l l i 合金g c r l 5 钢，两种倾斜角度( q j 。 和6 0 0 ) ，在不同载荷水平下进行试验。在动力学分析和微观分析的基础上， 研究复合微动的运行机理和损伤机理。主要得出的结论如下： 1 复合微动的载荷一位移曲线有三种基本形式：不规则四边形型，椭恻 形型和直线型。曲线强烈地反映了切向微动和径向微动的特征，与切向微动 相似，复合微动可以观察到滑移区，混合区和部分滑移区三个区域。 2 在复合微动的初期，接触表面有明显的塑性变形，损伤以磨粒磨损为 l 三；随循环的进行，出现接触中心粘着，边缘发生微滑，磨屑难以排出，磨 损以剥层机制进行；后续循环中，第三体层起固体润滑的作用，减低了磨损。 3 复合微动过程中存在切向微动磨损与径向微动引起的疲劳的竞争关 系。在白层、三体行为和裂纹等分析的基础上，建立了复合微动损伤物理摸 j 叫。 关键词：微动损伤；切向微动；径向微动；复合微动 a b s t r a c t t a n g e n t i a l r a d i a l r o l l i n ga n d t o r s i o n a lf r e t t i n ga r e1 0 u rb a s i cf r e t t i n g l n o d e s p r e s e n t l y , m o s tr e s e a r c h e sf o c u so nt a n g e n t i a lf r e t t i n g ，t h es t u d yo nt h e c o m p o s i t ef r e t t i n gc o m p o s e do ft h eb a s i cf r e t t i n gm o d e sh a s n o tb e e nr e p o r t e ds o f a r b um o d i f y i n gt i l e c l a m ps y m t e mo fn e wr e d i a lf r e t t i n g t e s td e v i c ea n d i n c l i n i u gt i l et e s ts p e c i m e nt ot h es t e e lb a l lf i x e do n t h et e s td e v i c e ，t h ec o m p o s i t e f r e t t i n gm o d ec o m p o s e do ft a n g e n t i a la n dr a d i a lf r e t t i n gi ss u c c e s s f u l l ya c h i e xe d i nt h i sp a p e r u n d e rt w od i f f e r e n to b l i q u ea n g l e s ( 4 5 。a n d6 0 。) ，t h ef r e t t i n gt e s t sa r ed o n e u n d e rd i f f e r e n tl o a dl e v e l s ，c h o o s i n gt w od i f f e r e n tm a t e r i a lc o m b i n a t i o nt 0 1 - t h e f r e t t i n gp a i r s ( g c r l5s t e e l g c r l5s t e e l ，a i l ia l l o y g c r l 5s t e e l ) 1 l o a d d i s p l a c e m e n tc u r v eo fc o m p o s i t ef r e t t i n g h a st h r e ef l u l d a m e n t a l t y p e s ：i r r e g u l a rq u a d r a n g u l a r ，e l l i p s o i d a la n dl i n e a rc y c l e s t h ec l l r v eo ft h i st y p e r e f l e c t st i l eb a s i cf e a t u r e so ft a n g e n t i a lf r e t t i n ga n dr a d i a lf r e t t i n g s i m i l a rt o t a n g e n t i a lf r e t t i n g ，p a r t i a ls l i p ，g r o s ss l i pa n dm i x e df r e t t i n gc a nb eo b s e r v e d1 0 r c o m p o u n df r e t t i n g 2i nt h ei n i t i a ls t a g e ，o b v i o u sp l a s t i cd e f o r m a t i o nd e v e l o p e do nt h ec o n t a c t s u r f a c ea n dt h em a i nm e c h a n i s mo fd a m a g e ( o rf a i l u r e ) i sa b r a s i v ew e a r w i t ht h e d e x e l o p m e n to ff r e t t i n gt e s t s ，t h ec e n t r a lc o n t a c tz o n eb e g i nt o a d h e r et oe a c h o t h e ra n dm i c r o - s l i pa p p e a r so nt h ec o n t a c tf r i n g e ，r e s u l t i n gt ot i l eh a r dd i s c h a l g e o fw e a rd e b r i s d u r i n gt h i sp e r i o d t h em a i nm e c h a n i s mi st h ed e l a m i n a t i o no f s u r f a c el a y e r i nt h es u c c e s s i v ep r o c e d u r eo ft h et e s t ，t h ew e a ri sr e d u c e da st h e r e s u l t so f t h es o l i dl u b r i c a t i o no f t h et h i r db o d yl a y e r 3t h ed a m a g em a i n l ya p p e a r sa sw e a rc a u s e db yt a n g e n t i a lf r e t t i n gi ni n i t i a l s t a g e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e s t ，t h em a i np a r t so ft h ef a i l u r ec h a n g e st o t h ef a t i g u ec a u s e db yr a d i a lf r e t t i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so ft t s ，t h et h i r db o d y b e h a v i o ra n dc r a c k ，t h ed a m a g em e c h a n i s mo fc o m p o s i t ef r e t t i n gi sb u i l t k e yw o r d s ：t a n g e n t i a la b r a s i o n ，r a d i a lf r e t t i n g ，r a d i a la b r a s i o n ，c o m p o s i t ef r e t t i n g 堕童窑望查兰塑主塑塞圭兰篁笙塞 塑! 耍 _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 。_ 。_ _ i - _ - 。一 第1 章绪论 1 1 微动损伤的发展背景和研究概况 1 1 1 基本概念 微动是两个接触表面间发生微小幅值的运动，其位移幅值为微米量级。 微动摩擦学是研究微动运行机理，损伤，测试，监控，预防的学科。 微动基本运行方式： 根据运动方向的不同，微动可分为以下四类模式( 如图l _ 1 ) ：( 1 ) 平移 式微动，这是最普遍的微动方式；( 2 ) 滚动式微动；( 3 ) 径向式微动；( 4 ) 扭动式 微动。 国 o 嗣1 1 微动模式：( j ) 半移式( 2 ) 滚动式( 3 ) 释向式( d ) 扭动式 平移式微动是一种最普遍存在的微动方式，而滚动式，径向式和扭动式 微动在工程领域中也大量存在，但有关的研究工作报道却还很少。而有两中 以上的微动形式形成的复合微动也不少见，此类问题更为复杂，因而这方面 的工作就更少。目前，文献报道的绝大部分研究工作都集中在平移式微动方 面。 微动习惯上分为三类。1 ： p ， p p p f口i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 微动磨损 接触表面的相对位移是有外界振动所引起的微动，试样不受任何预应力 或承受固定的拉、压、弯曲等预力； 2 微动疲劳 接触表面的相对运动是外界交变疲劳应力引起的微动； 3 微动腐蚀 在腐蚀介质中发生的微动。 1 1 2 微动造成的破坏 微动可以从两个不同的方面对部件产生危害。1 。一个是直接的，即表面 磨损，着可能导致零件松动，功率损失或噪音增加，也可能是由于磨屑聚集 造成运动副咬死；另一是间接的，是由局部反复作用在表面或亚表面层中产 生微裂纹，并在反复应力作用下发展成疲劳断裂，即微动导致的疲劳。其后 果是大大降低构件的疲劳强度，后者的影响具有更大的危险性，有时可造成 灾难性事故。微动疲劳在工程部件失效中占有重要地位，虽然它的后果是导 致部件断裂，当其裂纹起源于两表面相对运动导致的表面损伤，因此仍属于 磨损问题，或磨损和疲劳两者的联合作用。机械零件配合较紧的部位，在载 简和一定频率振动条件下，零件表面产生微小滑动将导致微动损伤。微动磨 损不仅改变零件的形状，恶化表面层的质量，而且使尺寸精度降低，紧配合 件变松，还会引起应力集中，形成微观裂纹，导致疲劳断裂。 微动损伤的几种形式不是孤立的，一般情况下它们可能同时存在并互相影 响，只是在具体情况下，各种损坏程度不一样。例如不承受交变应力的部件， 虽然在微动作用下表面或亚表面仍可萌生微裂纹，但不可能发生疲劳断裂，故 【可看作不存在微动疲劳问题。反之，断裂是主要危险的部件，磨损就退居第二 位了必须指出，虽然在绝大多数情况下应该避免微动作用，但偶尔也可能是有 利的。首先，它有消耗能量的作用，这有利于阻尼振动。涡轮叶片中部的减震 阻尼台就是利用的这个原理。这种情况下，叶片的疲劳断裂是主要危险，疲劳 应力来自机械振动及高速气流冲击。加装减震器虽然增加了微动界面，但大大 地提高了叶片工作稳定性。其次，当微裂纹刚起源时，如微动磨损能及时将其 除去，则可避免疲劳裂纹的形成。在接触器中由于微动磨损形成氧化物磨屑而 可能导致信号畸变和电阻增高。人体内移植假体金属材料之间微动磨损，可能 使会属离子进入人体造成中毒。在原予能反应堆中6 0 0 左右c 0 。气氛下工作的 不锈钢偶件也会出现微动磨损。用火车运输铝锭，铝锭接触表面出现微动磨损 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 磨屑和缺陷，严重影响铝锭挤压后的表面质量。目前由于机器的连续化，自动 化程度不断提高，工作条件愈来愈苛刻，对元，部件的精度，使用寿命及可靠 性提出更高的要求，在国外已发现有大量的微动问题需要解决，国内也有一些 单位认识到机器中出现的损坏是由微动引起的，并正在寻求解决办法。比较突 出的是航空机械，核电站，风动工具和涡轮机中的微动问题。 1 2 微动摩擦学的历史回顾 1 9 11 年e d e n 等发表的关于研究金属旋转弯曲疲劳实验文章中“1 ，第一 次详细地描述了微动磨损现象。但e d e n 等人发现这种现象后并没有进一步 研究，其后的十多年中未引起重视。直至1 9 2 7 年t o m l i n s o n 才把它作为一。 个专题研究，设计了专门的设备，并借用f r e t t i n g 这个词。伺候愈来愈多 的人从事了着方面研究，虽是零散的研究，但对于人们逐渐认识和理解微动 现象导致机件的失效却有不少帮助。 从4 0 年代初至7 0 年代末，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。随着工业的发展，工程中微动损伤的报道不断增多。美斟 材料实验学会( astm ) 在五十年代初出版了第一本关于微动磨损的文集。 七十年代英国w a t e r h o u s e 等人出版了专著，全面总结了微动磨损方面的理论 和实践。 八十年代以来，随着现代工业的发展，高可靠性和长寿命的要求引起了 科研工作者对微动损伤的高度重视。并召开过讨论微动磨损的国际学术会议。 1 9 8 1 年，w a t e r h o u s er b 编辑出版了微动疲劳论文专集“f r e t t in g f a t i g u e ”。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 的三体理论”1 ，该理论对我们认识理解微动磨损过程有较大的帮助。1 9 9 2 年， z h o u ”1 等人提出了二类微动图的概念，它揭示了微动的运行机制和破坏规律。 九十年代后，对于预防微动破坏的研究方面更为重视。 1 3 微动磨损的基本概念 1 3 1 微动磨损的特点 从各方面来看，微动磨损最接近往复式滑动磨损，但其区别在于： 1 由于振幅小，滑动的相对速度极低，例如一个振幅为2 0 i ji i l ，频率为 5 0 h z 的微动副，其平均速度仪为2 m m s 。 2 由于振幅小，微动表面的绝大部分总是保持接触，因此磨屑逸出的机 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 耍 会很少，它们必然对界面的磨损过程发生影响； 3 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 及萌生裂纹要比一般滑动要严重得多。 4 微动摩擦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。 5 磨擦表面上出现带色的斑点，此外还有微裂纹或小沟槽。铁在空气中 自然形成y f e 。0 。，但是铁的磨屑吸收了应变能因而有较大的化学活性，在界面 高温下形成的是n f e 。0 。，呈红褐色；氧化铝通常是白色的，但是铝的磨厣j 是黑色。的。 1 3 2 微动磨损的影响因素 影响微动磨损的因素很多，并且各种因素不是简单的迭加，而是相互影 响。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。 1 振幅的影响 滑动振幅是最关键的参数，从而受到研究者重视，而进行了大量的研究。 般来说，微动振幅较小时，大部分磨屑保留在接触区，从而减小金属一金属 问的接触，使载荷在整个名义接触面积上更均匀，有减小微动磨损的作用， 表现出有较低的微动磨损率。在微动振幅较大时，磨屑从接触区排除，会属 ，j 会属接触增大，有较高的磨损率。 2 载荷的影响 压力的增大使发生相对滑移的接触面积减小或是使微动振幅减小，那么材 料的磨损率将下降。若同时发生疲劳破坏时，疲劳裂纹起源于滑移与不滑移 的边界，增加压力使接触滑移边界上的应力集中增高，从而有不利的影响。 随着接触压力( 或是装配压力) 的提高，对于在交变应力作用下的构件， 产生微动疲劳裂纹的倾向增大，或是在较低的交变应力下就产生裂纹。 3 微动频率的影响 若根据一定的循环次数来评价损伤，则频率越低( 每分钟1 0 0 0 次损伤越 大。频率影响的实质是化学因素，化学过程与时间有关，频率越低，每次循 环中再生氧化膜有足够时间修复，再生氧化膜越厚，每次除去的材料也越多。 4 循环次数的影晌 当振幅，频率，负荷等参数固定时，钢的磨损量与循环次数成线性关系， 即磨损速率恒定。但在微动开始时有一磨损速率迅速增加的阶段，这类似滑 动磨损中的跑合，实质上是粘着与磨屑的发生和增长阶段。跑合阶段长短除 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 与材料有关外，也与微动条件有关，条件激烈，产生磨屑的速度快，跑合阶 段就短，反之亦然。在极轻微的试验条件下，微动开始时，还可观察到一段 所谓一潜伏期”，在潜伏期中，材料完全不受磨损，有的潜伏期可达1 0 4 循环 以上。它实际是金属上的原始氧化膜破裂之前的阶段，其实潜伏期在激烈条 件下也存在，只是由于时间太短( 有的只几循环) 而难以觉察。 5 试样几何形状的影响 试样的表面接触虽然有多种形式，但总的可以分为三类：平面对平面， t f 面对曲面和曲面对曲面，两个相同曲率的曲面配合( 如轴对轴套) 也应视 为平面对平面。几何形状主要从两个方面影响磨损： ( 1 ) 应力分布 平面对平面接触，压力分布均匀，界面上很少出现局部滑动，表面有均 匀的损伤。球面或柱面对平面接触，按赫兹接触理论，压力里高斯分布，即 使总负荷很小，中心压力也很大。当振幅较低往往是局部滑动，导致表面不 均匀损伤。局部滑动时，中心因无相对运动，不受损伤，而全面滑动时，情 况则相反，由于中心压力最大，损伤也最严重，使中心部位出现小坑。 ( 2 ) 保持磨屑的能力 两平面微动时，在表面上均匀产生磨屑，但中心磨屑不易溢出。球面对 平面接触，磨屑不易保持，对磨损行为产生的影响比前者小。 6 环境温度的影响 温度从两个方面影响微动磨损：第一，氧化或腐蚀速率随温度而增加； 第二，材料的机械性能通常也受温度影响。在大多数情况下，温度升高，阜c 化加速，增加了微动磨损阻力。 7 湿度的影响 湿度对磨损过程的影响主要是它的润滑作用，使磨屑易于从磨损面溢出， 埘铁的磨屑观察表明，在其它试验条件相同时，干空气中产生的磨屑保留在 接触中心，而在l o 相对湿度下，微动导致磨屑从界面分散，暴露金属接触 区。 8 环境气氛的影响 在大气中的主要腐蚀介质是氧和水蒸气。在保护气氛或在真空中的微动 磨损比在氧化气氛中低得多，仅当金属表面形成的氧化膜有足够的厚度和强 度，足以抵抗微动磨损作用时，才能起到保护层的作用。在考虑环境气氛的 影响时，要从氧化，吸附，腐蚀，以及对磨屑的特性，存在和分布，对龠属 间接触特性的影响和对表面疲劳，裂纹的形成和扩展等方面进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 9 材料硬度的影响 被磨材料的硬度可能以两种方式影响微动磨损。其一，高的硬度意味着 高的拉伸强度和高的疲劳强度，既然微动磨损包括有由于局部高应力疲劳导 致的表面剥落，那么提高材料表面硬度肯在定条件下减少微动磨损。其_ - - ， 存在于接触面间的硬的氧化物磨屑在微动磨损过程中会起磨粒作用，硬的表 面有高的抗磨粒磨损能力，从而减少磨损。但随着微动配副情况和试验条件 参数的不同，材料硬度对微动磨损的影响常表现出复杂的情况。 1 3 3 微动磨损的机理 1 微动磨损理论概述”1 一个完整的微动磨损理论应该对以下现象作出解释： i 真空或惰性气氛中微动损失较小： i i 微动产生的磨屑主要由氧化物组成； i i i 循环次数一定时，低频微动比高频损失大： i v 材料流失量随负荷和振幅而增加； v 低于室温比高于室温的磨损严重； v i 干空气环境比湿空气损伤大； 第个提出微动磨损模型的是u h l i g ”1 。他认为在通常条件下由两种因素 导致材料损失。种是化学性质的，一种是机械性质的。它把氧化作用和机 械作用孤立的看待实际上它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，因此微动的特点不能突出，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。 i ? e n g 和r i g h t m i f e 对微动表面常见的大深坑的形成过程提出了独特的解释 “，其模型如罔l 一2 。接触两表面之间仅由大量分散的凸峰点的峰构成真实 接触丌始少量的磨屑落入接触峰之间，随着磨屑量增加，该空间逐步被充满， 微动作用因此由普通磨损变成磨料磨损，在磨料作用下，一个小区域的许多 峰合成一个小平面，磨屑随着磨料磨损过程而增加，最后磨屑开始流进邻近 的低沣区并在边缘溢出。磨损过程中接触区压力再分布，由于中心区粒子密 实而不易溢出，中心垂直区压力变高，边沿压力则降低，中心的磨料磨损比 边沿磨损强烈，坑也迅速加深，而且溢出的磨屑逐步充满邻近的低洼区并形 成新坑，最终许多相邻的小坑合并成较大的坑，这一切均由于微动的振荡作 用。微动不仅直接造成局部损失，而且陷住并积聚磨屑，这就使磨损的性质 变成磨粒磨损。这种模型不仅可以形象地说明微动磨损中表面边粗糙的现象， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 磨屑，这就使磨损的性质变成磨粒磨损。这种模型提出后很快便为科学家们 所接受这种模型不仅可以形象地说明微动磨损中表面边粗糙的现象，而且还 确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征。随着其它磨损理论的发展和各种特殊工 况下实验现象的积累，微动磨损理论不断得到丰富和修正。遗憾的是至今尚 未达到令人满意的定量描述程度。 低洼区 低洼区 图l 一2 微动睡损中人深坑形成过程” 2 微动磨损的第三体特征 l v i n c e n t “3 等人提出了一种新的微动第三体理论来解释微动磨损现象。 浚理论认为金属之问的磨损可分为二个过程。 ( 1 ) 磨屑的产生 a 接触材料发生粘着和塑性变形； b 强烈的加工硬化和结构变化： c 微裂纹形成和磨屑脱落； d 磨屑碎化和流动。 ( 2 ) 磨屑的演变( 对钢而言) a 磨屑轻度氧化，大小为微米量级； b 再氧化，大小为1 0 姗级，呈褐色； c 磨屑高度氧化，为1 0 1 级，呈红褐色。 ( 3 ) 微动磨屑的特征 a 在大气环境中钢微动磨损教派出的磨屑呈红色，其中有少量的会属铁。 特在挤压接触下，产生的磨屑不能排出，磨屑呈片状，带有黑色，是a f o = 0 。 磨屑中金属的含量与微动磨损及微动副的性能有关。在较低的频率，较大的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 振幅，施加较重的载荷时，磨屑中金属铁的量较多。而硬度高的钢，磨屑多 是细的红色粉末。还有研究指出，微动磨损磨屑的组成与环境气压有关，在 1 0 1 0 5 和1 3 x 1 0 3 帕的气压下，钢的微动磨屑主要是红褐色的a f e 。0 。，而在 较低气压( 2 7 帕，1 3 x l o 。帕气压) 下，主要是黑色的y e z o a 。 铝及其合金微动磨损的磨屑是黑色的，含有一定量的金属铝( 2 0 左右) ， 其余是氧化铝，用电子衍射分析表明磨屑中的片状颗粒是立方y 一氧化铝， ( 2 1 1 ) 面的方向平行于表面。 b 微动磨损粒子的大小和形状随微动参数，材料的不同而不同。微动磨 损过程中，初始产生的是较大的铁粒子，随后接触面间被研磨氧化成为细小 的粉末粒子。而铝微动磨损的磨屑在0 1 5 以下。较软的材料相对较硬的材 料进行微动磨损时产生较大的磨屑。因此提出磨屑的产生是表面严重疲劳损 伤的结果。 c 微动还可能产生球形磨屑。这种结构的形成与在局部接触区的粘着和 反复变形有关。 d 关于微动参数对磨屑大小和性转的影响，尚缺少系统的研究。从有的 些结果来看，在较大的微动振幅时磨损粒子较大，较硬的材料微动磨损摩 梢较小。 1 4 微动的载荷一位移曲线 1 4 1 切向微动的载荷一位移曲线 在切向微动试验过程中，通常有三种形状不同基本的载荷一位移曲线： 直线状，平行四边形状和椭圆状9 1 ( 如矧1 - 3 ) 。 ，。t 乃 j 少 ， i _ ! | l 3 = 种荩奉的载倚一位移曲线” ( 1 ) 图a ，直线状载荷一位移曲线主要发生在极小位移幅值或较大压力的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 条件下，二接触表面不发生相对滑动，其接触工况符合m i n d l i n 理论，即在 接触边缘发生内微滑和中心处于粘着状态。两接触表面的变形处于弹性协调 状念。微动处于部分滑移区。 ( 2 ) 图b ，平行四边形状的载荷一位移曲线在往复过程中二接触体发生槲 对滑移。此时微动处于滑移区。 ( 3 ) 图c ，椭圆状的载荷位移曲线一般在微动初期很少发生，通常在 定的微动循环次数后形成，摩擦表面通常伴随较强烈的塑性变形。载荷一位移 曲线中曲线所示区域可表征循环过程中的耗散能。 1 4 2 径向微动的载荷一位移曲线 1 径向微动的基本概念 许多关键零部件的失效呈现为径向微动损伤，如核反应堆的热交换器支 撑构件、铁道机车车辆的减振板簧、高速柴油机的钢顶铝裙结合面和滚珠轴 承中的伪布式压痕等。 径向微动与平移式微动的本质区别在与摩擦副问的相对运动方向不f 日。 径向微动的两个接触表面始终保持接触状态。径向微动通常是由法向力或热 应力的周期性变化产生，接触圆的半径随着法向力或热应力得到波动在最大 和最小值之| 1 目：j 的圆环内。 2 载荷一位移曲线 径向微动试验的试验装最”。控制变形的径向微动试验的模拟是控制偶 件的相对位移来实现的。首先给摩擦副个预载，再对数据清零，以消除摩 擦副之问的不良接触，然后以一定的加载速度加载到最大值f m a x ，在以相同 的加载速度反向加载至最小载荷f m i n ，p m i n 应大于零以保证摩擦副不彼此脱 丌，以设定的加载速度控制下试样在最大和最小载荷间循环运动，每次萨向 和反向加载完成1 次径向微动循环。计算机可以记录并输出所需的任一径向 微动循环的载荷一变形曲线，记录并输出最大，最小位移，以及位移幅值随循 环次数的变化曲线。 在径向微动条件下，载荷一位移曲线通常有两种形态( 如剐l 4 ) ： ( 1 ) 闭合型；两摩擦副的变形处于弹性协调状态。 ( 2 ) 张开型；加载与卸载曲线不重合，接触表面存在变形，处于弹塑性 状态。 1 5 微动图理论 亘壹銮逗查兰塑主堡壅竺堂垡笙塞 塑! ! 要 _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ 一一 1 4 3 微动区域 微动实验过程中通常有多种形状的载荷一位移曲线组成，摩擦力时增时减，其 动力特性十分复杂。 r a d i a lf r e h i n g 阁l 一1 释向微动试验的载荷位移曲线 在一定循环次数后，可以发现三种具有不同界面特性的微动区域：滑移 区，部分滑移区，混合区”3 。下面分别介绍这三个区域的特性： 1 部分滑移区 部分滑移区的绝大部分载荷一位移曲线呈线性关系，即直线状，：接触体 4 ：发生相对滑移。在实验测试中，通常有三种载荷一位移一循环次数( f t i ) 一n ) 阁符合部分滑移区( 如图l - 5 ) ： ( 1 ) 在极小的给定位移幅值下，包括微动初期的所有载荷一位移曲线变 化量直线状。其位移完全通过接触表面的弹性变形来调节，摩擦力不随时m 变化。对于球一平面接触，接触区域可明显分为两部分：发生在接触边缘圆环 状的微滑区和接触中心的粘着区，接触表面损伤轻微。 ( 2 ) 微动初期经过几次滑移循环后，摩擦力或切应力与正压力之比迅速 增加并达到一稳定值，f t - d 曲线呈由平行四边形向直线状转变，即由相对滑 移向弹性变形调节转变。 ( 3 ) 微动初期和中期与前者类似，不过，在较高循环次数下，有可能在 第二种情形的基础上，直线状的f t - d 曲线演变为非线性关系，摩擦力降低。 表面损伤进一步家大，并已形成较大裂纹，导致局部的切向刚度下降。 2 滑移区 在整个微动实验过程中，摩擦力一位移曲线呈平行四边形状，即在任一微 动循环内，两接触体发生相对滑移。通过接触表面的显微检测表明，滑移j x 的破坏过程描述为以下几个阶段： 塑童窑望查兰塑主竺窒圭堂垡笙塞 篁! ! 里 表面膜的保护：微动初期( 通常少于1 0 个循环) ，由于接触表面的污染 膜( 如氧化膜等) 的保护作用，摩擦系数较低。 ( a ) f 幽卜5 部分滑移区的二种f t d - n 幽 二体作用：污染膜逐渐破裂，材料发生直接接触，实际接触面积增大。 污染膜的破裂和清除所需的微动次数与微动初期的工况( 如压力，位移幅值 的大小) 密切相关。由于接触处的表面粘着和塑性变形，摩擦力迅速增加。 二体向三体过渡：持续的表面工作硬化或材料表层相变及韧性改变等会 导致颗粒的剥离，大量剥离的颗粒积累在表面形成第三体层，起到固体润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的作用。因此，随着二体向三体的转变，摩擦系数会逐渐有所回落。 稳定阶段：经过一定的循环次数，微动处于相对稳定阶段。表面的形貌 由于颗粒的不断剥离发生改变，继而磨屑在微动挤压作用下逐渐发生碎化和 氧化，但第三体的产生与从接触表面的溢出保持动态平衡，因此摩擦系数的 变化较小。 3 混合区 处于滑移区和部分滑移区之间，摩擦力随位移，时间的变化十分复杂。 ( 1 ) 在微动初期( 约前1 0 0 0 次) ，接触状态以滑移为主，但摩擦力逐渐 增大，f t d 曲线越来越封闭以至成线性关系，即直线状，处于粘着状态：这 种状态延续一定的循环次数后，接触状态突然发生变化，从粘着变为滑移状 态，摩擦力急剧下降；又经过一段不平稳期，获得一个相对稳定的椭圆状f t d 关系，摩擦系数保持不变。 ( 2 ) 微动前期与上种微动初期情形类似，不同的是：载荷一位移变化 更为复杂，曲线由滑移型( 平行四边形) 到粘着型( 直线状) 在整个过程的 转变反复多次，最后其变化以非线形曲线结束。 在混合区，至少在第轮直线状f t - d 变化关系建立前，可认为二：体相? i ： 作用为主。以后，摩擦力的每次突然降低( 由粘着型到滑移型) 标志着接触 表面局部地区的突然破坏( 如颗粒的剥离等) 椭圆状载荷一位移关系的建立意 味着局部地区已是三体接触，但二体之间的直接作用如弹性，塑性变形以及 ，能的裂纹调节仍起较大作用。 对于处于混合区的试样，接触区域产生磨屑氧化，接触中心的接触可能仍为 会属之帕j 的直接接触。从剖面上看，接触区域两端已有一些较深的裂纹，扩展 方向与微动方向倾斜。进一步检测表明，在混合区，接触表层发生强烈的塑性 变形，与基体相比，它具有更高的硬度。 1 4 4 运行工况微动图 位移幅值与压力是微动的二个最基本的因素。若以位移幅值为横坐标， 以压力为纵坐标，则可以得到微动区域分布图，即运行工况微动图( 闰i 一6 ) 。 当压力固定时，随着给定位移的增大，微动由部分滑移区向混合区，滑 移区转变；反之，当给定位移时，随着压力的增大，微动由滑移区向混合区， 部分滑移区转交。混合区较窄，处于部分滑移区和滑移区之间。 对于很脆的金属，混合区基本消失，运行工况图主要由部分滑移区和滑 一亘塑窒塑查兰堡主塑窒生堂垡迨塞 塑! ! 基 移区组成。 d i s p l a c e m e n 池m 剀卜6 运i 况微动图“ 若在位移，压力，材料不变的条件下，微动区域在运行工况图中的分析j 还取决于其它因素。如，球面或柱面的半径增加可导致部分滑移区增加，微 动区域分界线向右移动；刚度较大的测试系统部分滑移区减小，微动区域分 界线向左移动。 1 4 5 材料晌应微动图 通过对为试验后试样的检测，发现试样的破坏形式为：首先接触表面的 材料发生磨损，脱落，产生磨屑，形成麻坑，然后萌生微动裂纹并向深层扩 展。对应于由j 下压力与位移组成的运行工况微动图，经过一定的循环次数， 可以得到材料响应微动图( 如图卜7 ) 。材料响应微动图由以下三个区组成： ( 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较深 麻坑；( 2 ) 裂纹区有超过测试材料晶粒尺寸的裂纹形成。同时，此区伴有较 大的表层冷变硬化和少量的磨屑：( 3 ) 轻微损伤或无损伤区，光学显微镜不 能明显观测到微动斑内的表面损伤。而材料响应微动图与微动循环次数有密 切关系，裂纹区域随着循环次数的增加分别向磨损区，尤其是损伤区扩展。 通过对微动斑的表面和剖面分析，对应于运行工况图，可以进一步得到 一定循环次数后相应微动区域的破坏情况。总体上说，部分滑移区内损伤轻 微；滑移区主要发生颗粒脱落，引起表面磨损；混合区不仅有程度较轻的接 触磨损，而且通常能够观测到裂纹的存在。 但是材料响应微动图与运行工况微动图不同。材料响应微动图的稳定区 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 域一般在低周时( 通常小于1 0 l 1 0 5 ) 就可确定，因此在运行工况图中的区域 分布不随时间而改变。而材料响应微动图的材料的破坏模式完全依赖于微动 的循环次数，尤其是裂纹区。在微动初期，在位移和压力给定的变化范围内， 所有的微动试样损伤轻微；到1 0 3 次时才首先发现有一个较小的裂纹区：裂 纹区随循环次数的增加而不断扩大，不仅在滑移区，而且在部分滑移区均可 观测到裂纹的扩展。也就是说，材料磨损主要位于微动的滑移区，在部分滑 移区的微动破坏比较轻微；裂纹首先在混合区萌生，并向滑移区和部分滑移 区迅速扩展，因此，混合区是微动裂纹起源和扩展最危险的区域。 d i s p l a c e m e n t i x m 幽卜7 利料响应微动幽 1 5 本项研究工作的目的和意义 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， 都可以导致整个运转系统失效，微动在工业现象中十分普遍，是造成机械不 见灾难性事故的元凶之一。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。 微动有四种基本模式：切向微动( 平移式微动) 、径向微动、滚动微动和 扭动微动。目前的绝大部分的微动摩擦学研究集中在切向式微动模式，少量 针对研究微动的径向微动方式，其它方式的微动研究更少。实际微动现象往 往不是以单一的微动模式进行，而是两种或两种以上的基本模式的复合，例 如高速柴油机连杆与连杆盖的齿形紧配合结合面上承受的载荷其方向是倾斜 的且不断变化i l “。在机械系统中，类似的复合微动损伤是经常出现的，并会 产生严重的表面损伤。复合微动实验室难以模拟，而且问题比单一模式更加 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 复杂，因此至今未见两种或多种基本微动模式复合的研究报道。所以对于复 合微动的研究可以更深入地理解单一微动模式的基本规律，也为抗实际的工 业微动损伤提供重要的理论指导，并有效促进微动摩擦学的工业应用研究。 ( 1 ) 本论文在微动实验装置上通过试样接触面的倾斜，实现了切向微动和径 向微动的相对运动。 ( 2 ) 通过改变不同载荷和倾斜角度等试验条件，比较复合微动载荷- 位移曲线 的差异，进行动力学分析，认识复合微动的运行规律。 ( 3 ) 通过对材料复合微动磨痕的微观分析，比较不同试验参数对复合微 动的影响，分析接触表面的变形、磨屑与三体行为、微动区域的变化、接触 表面的不对称损伤、白层的形成及其演变、裂纹形成与扩展，在复合微动t r 存在的切向微动与径向微动的竞争机制，深入理解复合微动摩擦磨损机理。 并提出复合微动的物理模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第2 章复合微动的实现与分析 2 1 复合微动试验装置 对径向微动装置试样夹具进行改造，接触偶件( 上，下试样) 采用球 平面接触方式，其中上试样固定，并使两摩擦副发生相对倾斜，试验装置如 p 纠2 1 所示，其中球试样随高精度液压伺服系统带动的活塞系统在垂向做往 复运动。两接触副之间的切向和法向均会产生的相对运动。这种微动运动是 切向微动与径向微动合成的复合微动。复合微动以控制载荷模式进行，载荷 以恒定速率控制在最大和最小值之间。为保证试样问维持接触，施加一大于 零最小载荷f m i n 。 载荷信号由上试样上方的载荷传感器测量，试样间的相对变形有高精度 外置位移传感器测量。该试验装置的载荷范围为o - 1 0 0 0 n ：位移测量精度 0 2 p m ，外黄位移传感器最大量程6 0 “m ；液压伺服系统控制位移变化范围为 l g m 一1 2 0 0 p m 。 复合微动试验装置如图2 一l 所示： 图2 一j 复合微动试验装置结构示意幽 2 2 复合微动的实现 在球平面接触关系中，切向微动和径向微动的重要区别是两接触副的十 对运动方向与法向载荷的夹角不同( 如图2 - 2 所示) 。在径向微动试验装置上， 一 亘妻奎堕盔兰塑圭塑窒圭堂垡笙塞 塑! ! 里 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一。 通过平面试样的倾斜在接触表面的切向和径向各自完成径向微动和切向微动 两种运动，它们的复合实现了复合微动。 i 羊j2 2 降微功、切f f u 微二曲平复台微动示意h 幽2 - 3 复合微动的接触j l f i , r 芙系 图中装置将平面试样倾斜一定角度0 ，0 角为试样与试验机轴线的央角 ( 如图2 2 ) 。作为运动副的球试样施加在平面试样上的载荷可以沿法向和切 q 分解，分别为： f ，= f s i n 0 ； f = f e o s o ： 其中f 为球试样施加在平面试样上的垂向载荷，c 与f 是产生径向微动 一亘蜜壅鎏查堂塑主堡塞生兰笪笙窒 塑! ! 耍 _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ 一一 和切向微动的动力： 切向和径向位移分别为： d = d c o s 0 ； 见= d s i n o ； 其中d 为垂向位移。 为保证接触中心处于试验系统轴线上，保证载荷传感器测到的载荷为 f ，须将球试样的轴线偏移s = r c o s 0 ( r 为球试样的半径) 的距离。 2 2 试验试样材料及制备 复合微动试验选用两种摩擦副作为研究对象： 1 ) 球试样为： 直径为6 0 m m 的g c r l 5 滚珠轴承钢钢球( 成分如表2 一i 所示，性能j ! c | | 表 22 所示) 。 表2 - ig c r l 5 化学成分列表 2 ) 平面试样为：a 1 - l i 合金和g c r l 5 钢 a a i - l i 合金 i o m m l o m m x 2 0 m m 的铝锂合金( 成分如表2 3 所示，主要材料如表：一4 所 ，f ，机械性能如袁2 5 所示) 。试验前经机械抛光至r 。= 0 0 4 u m 。选用铝锂合 仓是因为该合金是比强度和比刚度高的新型航空，航天用的铝合金，有广阔 的应用前景；并且，在g c r l 5 钢a 1 - l i 合金接触副的微动过程中，铝台会的 材料响应十分明显，有利于探讨机理性的问题。 b g c r l 5 钢 1 0 m m x l o m m x 2 0 m m 的o c r l 5 钢，通过线切割g c r l 5 钢球获得，其化学成 表2 - 3a 1 一l i 合会主要化学成分列表 横向 垂向 3 9 0 3 3 0 5 1 0 4 6 0 1 7 2 0 2 3 试验条件 试样在试验前经机械研磨和抛光至粗糙度为r 。= o 0 3 0 0 4 p m 。所有试样 在试验前均采用丙酮清洗。试验温度为2 0 3 。c ，相对湿度为6 0 1 0 。 试验在控制载荷条件下进行，上试样倾斜角度分别为6 0 。和4 5 0 。 试验条件为：加载速度：v = 1 2 m m m i m 控制载荷：最大载荷尼。分别为：2 0 0 n ，4 0 0 n ，8 0 0 n ： 最小载荷e 。为5 0 n ； 循环次数为卜1 0 。次： 2 5 试验的分析 复合微动试验后，对试样磨痕用表面轮廓仪进行测量，分析表面损伤轮 廓和粗糙度的变化。 对复合微动试样的磨痕进行光学显微镜和扫描电子显微镜( s e m ) 观察。 将试样沿磨痕的滑动方向剖切开，用有机玻璃进行试样镶嵌，最后机械 研磨和抛光至磨痕的中轴线位置，再在光学显微镜下观察试样表面的损伤。 西南交通大学硕士研究生学位论文舅：兰旦亟 第3 章复合微动行为研究 3 1g c r l5 钢的复合微动运行机理 复合微动后的载荷一位移曲线具有三种基本类型：准梯形型，椭圆形型和 直线型。如l - * l3 1 - 图3 - 2 列出了g c r l 5 钢在不同倾斜角度和载荷水平复合微 动的载荷一位移曲线。 3 1 1 准梯形型载荷一位移曲线 由切向和径向微动的载荷一位移曲线可知，在相同的循环次数时，切向微 动的载荷一位移曲线为平行四边形型，而此时的径向微动的载荷一位移曲线为 张丌型。 复合微动的载荷一位移曲线是由切向微动分量的平行四边形型载荷一位移 曲线和径向微动分量的张开型载荷一位移曲线复合而成的。 d i s p l a c e m e n t1w m l a j d i s p l a c e m e n t 1w m ( c ) d i s p l a c e m e n t iu m b l d i s p l a c e m e n t1w m d l 心，= 2 0 0 n ，0 = 6 0 0 幽3 一l ( ；( i j 5 钢复合微动不同循环次数载衙一化移曲线 一 亘室窒塑查堂堕主塑窒竺堂垡笙