（机械设计及理论专业论文）透明材料扭动微动磨损特性的实时观测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 扭动微动是在交变载荷下接触副发生往复微幅相对扭动。扭动微动的现象普遍存 在于各个工业领域，扭动微动作为四种微动运行基本模式之一，至今研究甚少。虽然 已有部分研究揭示扭动微动损伤机理，但还有待深入。目前，对微动磨损的研究，其 损伤过程的认识是基于一种黑箱的研究方法。因此，对不同透明材料进行动态实时观 测，有利于揭示实际损伤过程中的微观现象的发生和发展，对深入认识微动磨损机理 有重要意义。同时实时观测和摩擦振动信号检测可作为研究扭动微动磨损一种新的手 段。 本研究是在新型扭动微动试验装置上配置实时观测和摩擦振动信号检测系统，对 四种对磨副( p m m a g c r l 5 、p m m a p m m a 、普通玻璃g c r l 5 、石英玻璃g c r l 5 ) 进行了扭动微动磨损试验研究，在分析其扭动微动动力学特性及实时观测录像的基础 上，结合摩擦振动分析，揭示了磨损机理以及表面形貌与摩擦振动之间的联系。本论 文得到以下结论： 1 四种对磨副的摩擦扭矩扭动角位移幅值( t - 0 ) 曲线可以用来表征扭动微动 的动力学特性。在本研究试验参数下，对于p m m a 材料，可得到三种类型的基本正 口曲线：即直线型、椭圆型以及平行四边形型；对于普通玻璃和石英玻璃，其t - 0 曲 线仅可观察到两种类型( 椭圆型和平行四边形型) 。 2 对于四种对磨副，在部分滑移区摩擦扭矩值增长缓慢；在混合区和滑移区， 四种对磨副的摩擦扭矩曲线分为三个阶段，即：跑合阶段、上升阶段和平稳阶段；滑 移区的摩擦扭矩值高于部分滑移区和混合区。 3 实时观测与损伤机理： a ) 部分滑移区：四种对磨副的损伤轻微，变形主要由弹性协调。 b ) 混合区：对于p m m a g c r l 5 接触，首先在接触边缘出现细小银纹，随着银纹 增多损伤逐渐加重并伴随着磨屑排出，呈现环状损伤环，其磨损机制主要是疲劳磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 损；对于p m m a p m m a 接触，首先在边缘发生环状损伤，然后逐渐加重，接触中 心始终处于黏着，磨损机制主要是磨粒磨损。 c ) 滑移区：对于p m m a g c r l 5 接触，首先在接触中心观察到塑性流动的痕迹， 随后接触边缘出现少量银纹，随着银纹数量增加与材料的剥落，接触边缘发展成“纺 锤状”的剥落坑，有大量磨屑排出，整个接触区发生相对滑移，磨损机制为疲劳磨 损；对于p m m a p m m a 接触，在初期接触边缘发生损伤，随循环周次的增加整个接 触区发生损伤，磨损机制为磨粒磨损；普通玻璃g c r l 5 对磨副，接触边缘内侧出现 损伤，随后有微小裂纹产生，数量增加并形成环状损伤，损伤区域逐渐增大直至循环 结束并导致严重损伤，同时有大量磨屑排出，磨损机制主要是磨粒磨损和疲劳磨损； 对于石英玻璃g c r l 5 对磨副，微动损伤过程和磨损机制与普通玻璃对磨副相似，但 其微裂纹会发生周向及径向的扩展延伸。 4 摩擦振动信号：在部分滑移区，p m m a g c r l 5 和p m m a p m m a 对磨副未激 起可探测到的摩擦振动信号。在滑移区，p m m a g c r l 5 对磨副每循环下累计事件发 生数随循环次数增加先增多后减少，在不同的损伤阶段，表现出不同的摩擦振动信号 特征；p m m a p m m a 对磨副每循环下累计事件发生数随着循环次数增加而增多，但 不同损伤阶段，摩擦振动信号表现出相同特征。两种对磨副在同一循环次数下的法向 振动信号和切向振动信号具有相同特征。 关键词：微动磨损；扭动微动；摩擦振动；实时观测；透明材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 i m m,! m ! 曼曼曼曼曼量皇量曼皇曼皇曼量舅曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼量曼皇 a b s t r a c t t o r s i o n a lf r e t t i n g , t h eo n et h a tw i d e l ye x i s t si ni n d u s t r i a lf i e l d s ，i st h er e l a t i v em o t i o n , w h i c hh a p p e n sb e t w e e ns u r f a c e si nc o n t a c t , i n d u c e db yr e c i p r o c a t i n gt o r s i o nm o v e m e n t u n d e ro s c i l l a t o r ya n dv i b r a t o r ya m p l i t u d e s t h e r ei ss e l d o mr e s e a r c hd e d i c a t e dt ot o r s i o n a l f r e t t i n gt h a td e f i n e da so n e o ff o u rb a s i cf r e t t i n gm o d e s s o m ei n v e s t i g a t i o n sh a v er e v e a l e d t h ed a m a g em e c h a n i s mo ft o r s i o n a lf r e t t i n g ，h o w e v e r , t h e ya r es t i l li n c o m p l e t e u pt on o w , t h eu n d e r s t a n d i n go fd a m a g ep r o c e s so ff r e t t i n gw e a ri sb a s e do nm e t h o do fb l a c k - b o x t h e r e f o r e , d y n a m i cr e a l t i m eo b s e r v a t i o no fd i f f e r e n tt r a n s p a r e n tm a t e r i a l si su s e f u lf o r r e v e a l i n gt h eo c c u r r c l l c ea n dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o s c o p i cp h e n o m e n ao c c u r r e di nt h e p r o c e e d i n go fd a m a g e ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n te f f e c tt ou n d e r s t a n df r e t t i n gw e a rm e c h a n i s m d e e p l y a tt h es a m et i m e ，t h er e a l t i m eo b s e r v a t i o na n df r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n g c a nb et r e a t e da san e wm e t h o dt os t u d yt h et o r s i o n a lf r e t t i n gw e a r i nt h i sp a p e r , o nat o r s i o n a lf r e t t i n gt e s tr i gw i t l lr e a lt i m eo b s e r v a t i o na n df r e t t i n g v i b r a t i o nr e c o r d i n g s y s t e m s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho ff o u rw e a rc o n t a c t p a r i s ( p m h d a g c r l5 ，p m d a p m m a ，g l a s s g c r l5 ，q u a r t z g c r l5 ) w e r ec a r r i e do u t b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ef r i c t i o n a lk i n e t i c so ft o r s i o n a lf r e t t i n ga n do b s e r v a t i o n a lv i d e oi ns i t u , c o m b i n i n g 丽t ht h ea n a l y s i so ff r i c t i o nv i b r a t i o n ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et o r s i o n a lf r e t t i n g w e a l m e c h a n i s m s ，s u r f a c em o r p h o l o h i e sa n df r i c t i o nv i b r a t i o nh a sb e e nr e v e a l e d t h em a i n c o n c l u s i o n so b t a i n e di nt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h ef r i c t i o nt o r q u ev s 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 ec u r v e s ( t - oc u r v e s ) o ff o u r c o n t a c tp a i r sc o u l db eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h ek i n e t i cc 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 w e a r u n d e rt h et e s tp a r a m e t e r si nt h i ss t u d y , f o rt h em a t e r i a lo fp m m a ，t h r e et y p e so f - 0 g u l v e s ( x l l n e sc o u l db eo b t a i n e d ，i e 1 i n e a r , e l l i p t i ca n dp a r a l l e l o g r a m s i m u l t a n e o u s l y , f o r t h er e g u l a rg l a s sa n dq u a r t zg l a s s ，i tc a l lb eo b t a i n e dt w ot y p e so f7 - 0c u r v e s 巴e l l i p t i ca n d p a r a l l e l o g r a m ) 2 f o rt h ef o u rc o n t a c tp a i r s ，t h ef r i c t i o nt o r q u ev a l u e sc l i m b e ds l o w l yi nt h e p a r t i a ls l i pr e g i m e i nt h em i x e da n dg r o s ss l i pr e g i m e s ，t h ef r i c t i o nt o r q u ec u r v e sc a nb e d i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：ter u n n i n g - i n ，a s c e n ta n ds t a b l es t a g e s t h ef r i c t i o nt o r q u ev a l u e s i nt h eg r o s ss l i pr e g i m ew e r eh i g h e rt h a nt h a to fi nt h ep a r t i a ls l i pa n dm i x e dr e g i m e s 3 r e a lt i m eo b s e r v a t i o na n dw e a rm e c h a n i s m s ： a ) p a r t i a ls l i pr e g i m e ：t h ed a m a g eo ft h ef o u rc o n t a c tp a i r sw a ss l i g h t e ra n dt h er e l a t i v e m o t i o nw a sa c c o m m o d a t e db ye l a s t i cd e f o r m a t i o n b ) m i x e ds l i pr e g i m e ：f o rt h ep m m a g c r l5c o n t a c t , s o m ef i n ec r a z e sf i r s t l ye m e r g e d a tt h ee d g eo fc o n t a c tz o n e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec r a z e ，t h ed a m a g eb e c a m em o r e s e r i o u sc o m p a n i e dw i t l lt h ew e a rd e b r i sr e m o v i n g , a n dt h e nt h ed a m a g ea r e ad i s p l a y e da s a n n u l a r i t ys h a p e t h ew o r rm e c h a n i s mm a i nw a sf a t i g u ew e a r f o rt h ep m m a p m m a c o n t a c t , t h ea n n u l a rd a m a g ei n i t i a l l ye m e r g e da tt h ee d g eo fc o n t a c t , w h i c hb e c a m es e v e r e r a n dt h ec o n t a c tc e n t e rw a ss t i l ls t i c k i n g ，a n dt h ew e a rm e c h a n i s mm a i nw a sa b r a s i v ew e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 c ) g r o s ss l i pl e g i m c ：f o rt h ep m m a g c r l5c o n t a c t ，$ o r l l ep l a s t i cf l o wt r a c e sw c r c i n i t i a l l yo b s e r v e da tt h ec e n t e ro fc o n t a c tz o l l c a n dt h e nal i t t l eo fc r a z e sa p p e a r e da tt h e e d g eo ft h ec o n t a c t a n dt h e n ，w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ec r a z i n ga n dd e t a c h i n go ft h em a t e r i a l ， s o n i cf u s i f o r md e t a c h e dp i t sg e n e r a t e da tt h ec o n t a c te d g ea c c o m p a n i e dw i t l lag r e a td e a l d e b r i sr e m o v e d 。t h er e l a t i v es l i po c c u r r e da tt h ew h o l ec o n t a c tz o n e , a n dt h ew c a l m e c h a n i s mm a i nw a sf a t i g u ew e a l f o rt h ep m ma p m m ac o n t a c t ，t h ed a m a g ew a sf i r s t l y g e n e r a t e da tt h ee d g eo fc o n t a c tz o n e ，a n d 、i t ht h ei n c r e a s eo fn u m b e ro fc y c l e st h ed a m a g e h a p p e n e da tw h o l ec o n t a c tz o i i t ：t h ew e a l m e c h a n i s mm a i nw a sa b r a s i v ew e a r f o rt h e g l a s s g c r l5c o n t a c t , t h ed a m a g ef i r s t l ya p p e a r e da tt h ei n n e rs i d eo ft h ec o n t a c to d g e ，t h e n m i c r o - c r a c k l ee m e r g e da n di n c r e a s e dt of o r ma n n u l a rm o r p h o l o g y w i t l lt h ei n c r e m e n to f d a m a g ea r e a , t h es e v e r e rd a m a g eo c c u r r e dg r a d u a l l ya c c o m p a n i e d 丽mr e m o v i n go f ag r e a t d e a lo fd e b r i st h ew e a l m e c h a n i s m sm a i nw e r ea b r a s i v ea n df a t i g u ew e a l f o rt h e q u a r t z g c r l5c o n t a c t ，t h ef i e t t i n gd a m a g ep r o c e s s e sa n d w e a rm e c h a n i s m sw e i r es i m i l a r l y t ot h ef o r m e ro n c ，w h i l em i c r o - c r a c k l e sc o u l dp r o p a g a t ec i r c u m f e r e n t i a la n dr a d i a l d i r e c t i o n s 4 f r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a l s ：i nt h ep a r t i a ls l i pr e g i m e ，b o t hf o rt h ep m m g c r l5a n d p m m a i m m ac o n t a c t s ，t h ef r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a l sw e r eu n d e t e c t e d i nt h eg r o s ss l i p r e g i m e , f o rt h ep m m a g c r l 5c o n t a c t , t h en u m b e ro fa c c u m u l a t e de v e n t si ne a c hc y c l e f i r s t l yi n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d i nt h ed i f f e r e n ts t a g e so ft h ed a m a g e ，t h ev i b r a t i o n a p p e r a r e dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s m i l ef o rt h ep m m a p m m ac o n t a c t ，t 1 1 en u m b e ro f a c c u m u l a t e de v e n t si ne a c hc y c l ew a sj u s ti n c r e a s e dd u r i n gt h ep r o c e e d i n go ft h ef r e t t i n g h o w e v e r , u n d e rt h ev a r i e dd a m a g es t a g e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o np r e s e n t e d $ a m c f e a t u r e b o t ht h el a t e r a lv i b r a t i o na n dv e r t i c a lf r i c t i o no ft h et w oc o n t a c t si ns a l 1 cc y c l e p r e s e n t e di d e n t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：f r e t t i n gw e a r , t o r s i o n a lf r e t t i n g ；f r i c t i o nv i b r a t i o n ；r e a l - t i m eo b s e r v a t i o n ；t r a n s p a r e n t m a t e r i a l s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 微动摩擦学基本概念 1 1 1 微动与微动的分类 第一章绪论 微动是指接触表面间在机械振动、电磁振动、疲劳载荷等交变载荷作用下发生极 小振幅的相对运动( 一般位移幅值为微米量级) 1 1 。2 】，通常这样的接触表面是静止 的，即微动在机械的“紧固”配合部件中发生。微动摩擦学是研究微动状态下运行机 理、监控、测试、预防、损伤的学科，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【3 吲。 习惯上，微动在微动磨擦学领域上被分为三类：微动腐蚀、微动疲劳、微动磨 损。微动腐蚀是指发生在酸雨或电解质、海水等腐蚀性介质中的微动；微动疲劳是指 接触的表面相对位移由接触副承受外界交变疲劳应力引起的变形而产生的微动；微动 磨损是接触表面的相对位移由接触副外界的振动引起的微动，接触副只承受局部的接 触载荷，或承受固定预应力【4 1 。在这里应指出的是，微动腐蚀、微动磨损、微动疲劳 只是3 种微动类型，而不是损伤机制。 1 1 2 微动的主要影响因素和防护 由于微动的运行过程复杂，故微动的影响因素很多，而且这些因素不是单纯的叠 加而是彼此间互相影响的。主要是三个方面的影响：i ) 状态参数：有频率、循环次 数、相对位移幅值等；i i ) 物理参数：其主要包括有接触应力、刚度、粘着性能、接 触模式、表面租糙度等；) 试验环境：介质、温度、气氛等。 1 ) 位移幅值：位移的存在是发生微动的基本条件。当位移幅值较小时，微动产 生的磨屑不易排出，在接触区内起到承载的作用，减小了对磨副的实际接触面积从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 降低了磨损率；当位移幅值较大时，磨屑易随着对磨副的运动排出到接触区外，两接 触体的真实接触面积增大，磨损率大大提高。 2 ) 接触应力( 载荷) ：接触应力的大小可以影响到接触面积的大小以及位移幅值 的大小。当接触应力增大时，相应两体之间的接触面积就增大但相对滑移的接触面积 减小，从而导致磨损率降低。随着接触应力增大，作用在交变应力下的构件产生裂纹 的可能性增大。 3 ) 频率：频率的高低影响到氧化膜的再生。当频率低于氧化膜再生的时间，则 氧化膜得到修复，且再生氧化膜越厚去除的材料越多，磨损也越严重。 4 ) 循环次数：材料的磨损率随着循环次数呈现线性增长。在极轻微的条件下有 “潜伏期”的存在，在此期间，材料不发生磨损，只有当循环次数达到一定数量 ( 1 0 0 0 0 次) 时材料表面的氧化膜才开始发生破裂。在激烈条件下，潜伏期同样存 在，只是此时的潜伏期很短可能只有几个循环，因此不易察觉。 5 ) 接触模式：不同的接触模式存在着不同的应力分布、磨屑保持能力。例如： 在面面接触条件下，表面产生的磨屑均匀且中心区域的磨屑不易排出，磨损率偏 低。 6 ) 温度：温度对微动的影响包括两个方面：第一，温度影响材料的机械性能。 第二，材料的腐蚀及氧化速度随温度的升高而提高。 正因为如此，结合实际工况，对每一种已有的或设计中的工况进行具体分析， 以便采取最佳的防护措施，成为了微动磨损中防护的一大特点。b e a r d 指出，了解微 动是由“力控制”还是由“位移控制”是很重要的。部分滑移状态下的微动是由力控制 的，因此，增大摩擦系数或增大法向载荷将减小滑移幅位。对于位移控制的微动，滑 移发生在整个接触界面上，滑移幅值为常量，减少法向载荷和摩擦系数将减小磨损 【5 】 o 我们可以通过以下几种方法来减轻微动磨损的影响： ( 1 ) 改进设计：根据微动的定义可知，微动仅出现在两表面间有相对运动的地 方，因此，可以通过消除相对运动来减轻磨损。微动通常由应力集中引起【5 1 】，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 l 。l i i l lii _ ii i 皇曼曼量皇曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼量曼量皇曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 此，对于任何情况都要求改进设计方案来降低应力( 例如对于轮毂一轴配合，要求增 大轴上的轮座直径或开应力缓解槽以降低应力；通过热处理来消除材料自身的内应力 等) 。另一个办法则是靠减小接触面积或者增加法向载荷使滑移区面积减小，但这样 一来将会引发疲劳问题。改进设计的最终目标是将各个零部件合成为一个整体，但这 往往是不可能的。 ( 2 ) 表面抛光 精密抛光的表面比粗糙表面经过更易发生微动损伤 7 1 。粗糙表面的形成方法不止 一种，如喷丸处理，通过喷射玻璃珠或钢珠来形成粗糙表面，喷丸处理能使加工表面 出现使加工硬化，尽管它产生的残余压应力似乎对磨损过程几乎不产生影响，但如果 考虑疲劳裂纹的萌生和扩展，则喷丸处理的影响十分明显。 ( 3 ) 表面涂层 采用扩散方法( 如渗碳、渗氮、渗铬和渗铝) 或表面轰击方法( 如离子注入) 使外界 原子或离子进入零件的表面。 利用表面与周边环境介质发生化学反应( 如氧化、阴极氧化和磷酸盐化处理) 形 成化合物。 外界材料完全覆盖到零件表面上的方法( 如电镀、等离子溅射、离子镀、物理气 相沉积( p v d ) 和化学气相沉积( c v d ) ) 。 工业中常常对齿轮进行渗碳和渗氮处理以减轻微动磨损，提高耐用性 8 。在电 接触场合，广泛的应用电镀涂层来减轻微动的影响，在众多的金属和合金中，金合金 由于自身的稳定性，很难发生化学反应，给接触点的导电性带来不良影响，而成为人 们优先选用的一种涂层【9 1 。 通过离子注入，对于高温下氧化膜扩展形成的耐磨且具有自我修复能力的涂层， 可以改变其性能，研究发现钛合金能够形成摩擦和磨损都很低的涂层【1 0 1 。 ( 4 ) 表面垫片 垫片能够通自身的塑性或者弹性变形来吸收微动，因此在两接触表面间插人垫 片，将表面分离，也能在一定程度上控制微动磨损。将金属和聚合物结合起来，可综 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 合两种材料的优点，作为垫片使用更为有效， 时摩擦系数极低，磨损量也极小1 1 1 。 ( 5 ) 润滑 填充青铜的聚四氟乙烯( p t e e ) 与钢微动 润滑剂在微动磨损中减轻微动磨损的作用有两点：一是形成保护性膜防止微凸体 的直接接触；二是阻止氧气参与磨损过程。润滑剂在微动磨损中也可能促进损伤，故 只有合理的使用润滑剂，才能很好的减轻磨损。 1 1 3 微动摩擦学研究的主要理论 1 1 3 1 早期的微动损伤理论 ( 1 ) t o m l i n s o n 分子磨损理论：g a t o m l i n s o n 1 2 1 等认为微动磨损是一种分子磨损过程， 分子的吸引是导致材料脱落的主要原因。 ( 2 ) g o d 仔e y 粘着机理：g o d f r e y t l 3 】等认为材料产生磨损过程的主要原因是机械作 用，材料损失的次要原因是氧化行为。 ( 3 ) i g 机械化学作用机理：u h l i g 【1 4 j 认为机械和化学是微动破坏的两个因 素。在相对运动中材料表面的氧化层被磨掉露出新的表面，此为机械作用；而裸露的 新表面被氧化形成氧化物，此为化学作用；两者共同作用导致材料损失。 ( 4 ) f c n g 和砒曲n i l i r e 的磨损速率变化理论：f e n g 和r i g h t m i r e t l 5 把随循环周次变化 的磨损量分为四个阶段，首先是金属转移，磨损率迅速上升，其次是过渡阶段，然后 是磨粒的作用下降，磨损率降低，最后磨损进入稳定阶段，磨屑的产生和溢出保持动 态平衡，磨损率基本保持不变。 ( 5 ) - - 阶段理论：h u r r i e k s 1 6 】总结前人研究后提出的观点，将微动磨损分为三个 阶段：初始阶段、氧化阶段、稳态阶段。即金属之间先形成冷焊导致表面粗糙度增 大，随后在化学和机械作用下，金属表面形成氧化层，摩擦系数下降，最后摩擦力达 到一定的稳定。 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 3 2 微动的三体理论 微动三体理论【4 】：磨屑产生可认为是同时发生磨屑形成与演化的一个连续的过 程，即：( 1 ) 磨屑的形成：接触表面塑性变形和粘着，并伴随着强烈的加工硬化； 加工硬化造成材料脆化，同时白层也形成，颗粒随着白层的破碎而剥落；随后颗 粒被碾碎，发生迁移，迁移的过程取决于颗粒的形状、尺寸以及机械参数( 如频率、 载荷、振幅等) ；( 2 ) 磨屑演变的过程：初始磨屑呈现轻度氧化，呈现金属本色以 及微米量级的粒度；在碾碎与迁移的过程中进一步发生氧化，颜色为灰褐色并呈现 亚微米量级的粒度；磨屑发生深度的氧化，显示红褐色，粒度减小至纳米颗粒。 1 1 3 3 微动图理论 v m g s b o 1 刀将m i n d l i n 接触理论【l l 】与自己的实验结果相结合，提出了微动图这个概 念，但它并没有准确的反映出微动磨损的破坏规律以及运行机制。周仲荣等根据大量 不同工况实验结果推出了二类微动图理论f 1 8 1 。 1 运行工况微动图 总结大量不同工况的微动实验的结果，发现只有3 种r d 曲线，即：直线型f r d 曲线、平行四边型只d 曲线和椭圆型只国曲线。 直线型f r d 曲线：在较大接触压力及极小位移幅值条件下发生，接触的中心不 发生相对滑移处于黏着状态，接触边缘有微滑发生，此时为部分滑移。 平行四边型r 坷曲线：在微动运行过程中接触体之间相对发生滑移，此时为完 全滑移。 椭圆型f v d 曲线：摩擦表面存在严重的塑性变形，此时亦为部分滑移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 o f t 厂 4 d ， _ 矿 。 少 ， 图1 - 1f r d 睦线的三种基本类型 随着微动运行循环次数的变化，f r d 曲线呈现不同的动态变化过程，因此将微 动运行工况分为3 个区域： 部分滑移区( 图1 2 ( a ) ) ：由于表面膜的破裂r d 曲线在初始循环次数下呈现 平行四边型，此后f t - d 曲线几乎呈现直线型。当微动处于部分滑移区时，损伤轻 微。 混合区( 图1 2 ( b ) ) ：f r d 曲线随循环次数变化复杂，在相对稳定时f r d 曲线 大部分呈现椭圆型。当微动处于该运行区时，易产生裂纹。 图1 2 摩擦特性曲线图 滑移区( 图1 2 ( c ) ) ：在整个微动过程中，f t - d 曲线呈现平形四边型。此时两 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 接触体之间有相对滑移产生。 2 材料响应微动图 微动损伤的损伤机制包括疲劳裂纹和表面磨损。通过分析磨斑表面及剖面，发现 在部分滑移区微动造成的损伤很轻微；滑移区表面发生磨损，主要是由于颗粒脱落引 起的；而混合区除了相对于滑移区表面轻微的磨损，还可以观察到裂纹。可以给出与 运行工况微动图相对应的材料响应微动图，它由磨损区、轻微损伤区以及裂纹区组 成。如图1 3 所示。 _ z ， 器 匠 媚 ( 曩) a h 五合金运行工况图 ( b ) 2 0 9 1 铝合金材料响应微动图 图1 3 运行工况和材料响应微动图 1 1 4 微动的运行模式 在实际工况条件下，微动的运行是十分复杂的，在球平面接触模式下，依据相 对运动方向的不同，微动被分为切向、径向、转动和扭动微动【4 】四种基本运行模式， 如图l - 4 所示。径向微动早期称为“伪布氏压痕”【1 9 1 ，普遍存在于工业领域中。并有 研究结果发现，径向微动在球平面接触接触模式下同种材料的接触副在交变载荷 下，没有引起损伤的微滑现象产生，只有当接触副为异种材料时，才会产生微滑；扭 动微动是指交变载荷作用下接触副发生微幅扭动的相对运动【2 0 1 ，其主要存在于交通 工具、通用器械等部件中，例如球窝接头；转动微动是在交变载荷作用下接触副发生 微幅转动的相对运动【2 1 1 ，普遍存在于工业领域和机械领域中，如机车车辆轮轴等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 藏 、宣 ( b ) r a d i a l 图1 _ 4 球平面接触下微动运行的基本模式 1 1 5 扭动微动的研究现状 早期对于扭动微动的研究主要是在数值模拟和理论计算方面进行。i ，1 】b b n 【2 刁载荷 作用下，两个同种材料的弹性球体压紧时接触位置的压力分布呈现球形规律。 b j b r i s c o e 等 2 3 2 刀利用图1 5 研究聚甲基丙烯酸甲酯盘与钢球在纯扭动以及纯转动条 件下的微动磨损行为，其结果表明，当微动状态由纯扭动向纯转动过程转变时，磨损 量降低，在接触中心存在一条与球转动方向垂直的波纹；当微动处于扭动微动状态时， 初始时磨屑形状为片层状，随循环次数的逐渐增加，磨屑分面在整个接触区域，同时磨 屑被反复压实形成第三体。 ( a ) 实验装置接触示意图 图1 - 5b r i s c o e 实验装置及接触示意图 朱曼昊和蔡振兵【2 3 1 等设计的扭动微动试验装置，并在此装置上进行了f e c 合 金、7 0 7 5 铝合金、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯以及牛髋关节等实验。发 现金属材料的动力学曲线有直线、椭圆以及平行四边形三种，同时随着角位移幅值的 、，ry 脂誊蔷耥瀛啬蒸 葶一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 增大，扭动微动由部分滑移区向混合区、滑移区转变【3 1 1 。混合区与滑移区的的损伤 机制类似，均包括磨粒磨损、剥层以及氧化磨损。除此之外，蔡振兵研究了在不同后 气氛下金属材料的扭动微动行为特性，研究表明气氛中增加含氧量以及增加相对湿度 在小角位移幅值下扭动微动均运行于混合区以及滑移区，而混合区的范围会随着相对 湿度的增加而减小【3 0 】。对于p m m a 材料，研究表明同种材料配磨副和异种材料配磨 副的磨损机制不同。而软骨在其特有的润滑作用下，动力学曲线只呈现平形四边型和 椭圆型，磨损机制以疲劳磨损为主。 杨斛4 2 】在转动微动磨损试验装置上采用球平面接触研究了p m m a 转动微动特 性。研究表明，其动力学曲线包括直线、椭圆以及平形四边型。研究噪声信号及振动 信号以揭示噪声信号和振动信号与磨损机制的内在联系，发现在部分滑移区和完全滑 移区噪声信号和振动信号呈现不同特征。在部分滑移区，噪声信号和拓动信号微小； 在滑移区，二体接触时信号增强，波纹的呈现及去除过程中信号幅度随着循环次数的 增加而增加，当波纹完全去除噪声无明显变化，振动信号均有不同层次降低。 1 2 声发射研究微动的研究背景与研究现状 1 2 1 声发射技术 1 2 1 1 声发射技术概念 声发射是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象，也被称为应力波 发射划。有时材料内部存在缺陷或者潜在缺陷，当外部施加作用力时自动发声。弹 性波由声发源传到材料的表面，表现成极小的机械振动。当材料断裂或者变形时释放 的能量足够大时，人耳就能听到声音。 1 2 1 2 声发射的来源 为了将声发射技术应用到无损检测中首先要解决的问题是材料为什么在外部作用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 力下会发生声发射，因此迫使人们去研究声发射源，而对于金属，声发射的来源有： ( 1 ) 塑性变形 塑性变形包括滑移、位错运动以及孪晶变形。单个位错发出的能量太小，声发射 检测器无法检测到，但当金属内部存在的多个位错或者位错群共同作用时，几百到几 千的位错同时作用时声发射检测器可检测到突发型信号，大约一百个到一千个左右的 位错同时作用时可检测到连续型信号。孪生变形是是金属变形的一种特殊方式，它以 滑移面为镜面，以原子排列成镜面对称的方式变形【3 5 1 。此类变形的速度很高，是强 烈的声发射源。 ( 2 ) 裂纹的形成与扩展 如果材料局部的应力集中在裂纹形成后被卸载，则发生声发射。裂纹经过裂纹 形成、裂纹尖端塑性变形、裂纹扩展三个阶段而产生声发射。由于裂纹扩展时所 需的能量是裂纹形成时的一百到一千倍，因此裂纹扩展时产生的声发射有可能比裂纹 形成时的声发射要大得多。 ( 3 ) 马氏体相变 马氏体相变是钢和合金冷却时过冷奥氏体转变成马氏体组织的过程。此相变的实 现是通过前切变形方式，形成针状或片状的马氏体新相速度极快。这种方式可以在极 短时间里产生极高的位错密度，也因此能得到人耳可直接听到的声发射。 ( 4 ) 碰性效应 在交变磁场作用下，磁性材料的磁畴壁运动发生声发射，称为磁声发射 ( 啪) 。由于外载荷及内作用力可以影响磁畴壁的运动，所以应力大小可以影响磁 声发射，随着应力的增大，磁声发射减弱。同时当磁场作用不变时，温度增高，磁声 发射降低，因此磁声发射可用来检测磁材料的残余应力及热处理情况。 1 2 1 3 声发射技术特点 声发射技术和其他检测方法的两个区别：( 1 ) 可以检测动态缺陷，不能检测静态缺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 量量鼍舅量曼曼曼皇曼皇曼鼍量量量量量罾曼鼍曼量曼鼍曼曼鼍im 毫曼皇曼曼皇鼍曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼皇量皇曼皇曼曼曼皇曼皇曼量曼曼曼曼曼曼 陷。( 2 ) 可以检测缺陷自身产生的缺陷信息，而不能检测到外部作用产生的。因此声发 射技术的优点及局限包括： 声发射的优点有：1 ) 可以检测对结构安全有害的活动性缺陷；2 ) 可以为大型构 件提供整体或局部的检测；3 ) 适用于检测形状复杂的构件；4 ) 可以检测不易接近的 环境，如高低温、极毒等环境；5 ) 检测可以提供实时的缺陷随载荷、温度等外量变 化的连续信息。 声发射的缺点有：1 ) 此检测技术对材料敏感并且易受机电噪声的干扰；2 ) 检测 时需加载适当程序；3 ) 实验过程的信号不能通过多次加载获得；4 ) 此检测不能对发 现的缺陷定性定量。 日前声发射技术已发展成一种成熟的无损检测方法，且广泛用于许多领域，如石 油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程交通运输业、航天航空工业以及金属加 工等。 1 2 2 摩擦噪声 当两物体实际接触并发生滑动时所产生的摩擦阻力做功，有小部分的能量以声能 的形式发散。摩擦噪声就是两体摩擦时发出的一种频率和声压级都不规律变化的，使 人感觉不舒适的环境噪声。根据频率范围不同，摩擦噪声分为两类：低频噪声( 2 0 5 0 0 赫) 和高频噪声( 5 0 0 2 0 0 0 0 赫) 。 摩擦噪声的研究表明，摩擦噪声是摩擦系统的部件振动发射的，没有摩擦振动就 没有摩擦噪声【3 6 1 ，因此摩擦噪声的大部分研究工作转为摩擦振动的研究。有的实验 结果却表明，最先发射噪声的摩擦面是法向的振动，当法向振动足够强时，切向才会 发生与之频率相同或者相近的振动【3 6 1 。此现象否定了发生摩擦噪声的机理：一是摩 擦力相对滑动的速度负斜率机理，另一个是粘着滑动机理，因为此机理所描述的是切 向发生摩擦振动3 7 3 胡。同时，摩擦噪声区域的磨痕形貌明显与无摩擦噪声区的磨痕 形貌不同，摩擦噪声区域的磨痕形貌的表面粗糙度较大，存在不规则的麻坑、犁沟或 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 粘着凸体；无摩擦噪声区的磨痕表面形貌特征的表面粗糙度较小，有微抛光的作用发 堆【3 & 0 1 1 lo 1 2 3 利用声发射研究微动的研究现状 从摩擦学的角度考虑出发，了解各类摩擦噪声的成因以及产生的机理关键在于噪 声与实验接触表面形貌、润滑条件、材料表面变形、频谱特性以及载荷等因素的内在 联系，对于深入的理解摩擦机理，降低摩擦磨损引起的损失，可以起到相当大的作 用。同时有研究表明磨痕形貌与摩擦噪声有一定的关系，粘着面积的大小、分布以及 严重程度可能