（机械设计及理论专业论文）ti6al4v合金扭动微动早期损伤行为研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 扭动微动是指在交变载荷下接触副的接触界面发生微幅扭动的相对运动。 作为一种基本微动模式，扭动微动磨损大量存在于实际工况中，从常用的球阀、 到人工植入的杵臼关节，以及球窝配合件及旋转紧固件，是一种不容忽视的失 效行为。扭动微动接触界面在试验初期的损伤行为以及磨屑的演变过程至今尚 不清楚，因此，本文针对t i 6 a 1 4 v 合金及其不同配副的扭动微动运行和损伤行 为的研究具有重要的理论和实际意义。 本研究在新型扭动摩擦磨损试验机上，进行了t i 6 a 1 4 v 合金分别与s i 3 n 4 陶瓷球、t i 6 a 1 4 v 合金球配副的扭动微动摩擦试验。角位移幅值( 臼1 1 0 1 5 0 ，法 向载荷( f n ) 5 0 n ，试验次数1 5 0 0 次。在研究摩擦动力学行为的基础上，使用台 阶仪、扫描电镜、三维形貌仪分析了微动磨斑。得到以下主要结论： 1 t i 6 a 1 4 v 合金的扭动微动运行特性可以用摩擦扭矩扭动角位移幅值( n 护) 曲线描述。两种对磨副的 - 0 曲线在试验过程中只表现出两种形状，即椭圆状 ( 接触界面的相对运动主要由弹塑性变形协调) 和平行四边形状( 接触界面处 于完全滑移状态) 。材料性质的差异造成t i 6 a 1 4 v s i 3 n 4 对磨副的摩擦扭矩值在 所有试验中高于t i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 v 对磨副。这是由于t i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 v 对磨副 的接触刚度较小，使得接触面积增大，接触应力减小。 2 结果表明，微动存在三个运行区域：当8 = 1o 时，微动运行于部分滑移区； 当0 = 2 5 0 和0 = 5 0 时，微动运行于混合区；当肛l5 0 时，微动进入滑移区。部分 滑移区和混合区的摩擦扭矩在试验过程中持续上升，l0 0 次循环时未见稳定； 滑移区的摩擦扭矩曲线则表现出上升、峰值、下降和稳定四个阶段。 3 对于t i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 v 对磨副，在部分滑移区，接触区有少量的剥落和 轻微的塑性变形。在混合区，接触区发生显著塑性变形和颗粒剥落。随着角位 移幅值的增加，疲劳磨损加剧，剥落的磨屑颗粒尺寸明显增大，接触区外发现 有磨屑的溢出。磨痕的剖面分析发现，白层在颗粒剥落过程中扮演了重要角色， 是导致材料大块剥落的主要原因，在混合区可见斜裂纹产生。在滑移区，可见 严重损伤和显著的塑性流动，磨损机制主要是剥层、氧化磨损和磨粒磨损。 4 当t i 6 a 1 4 v 合金与s i 3 n 4 对磨时，在部分滑移区，接触区损伤轻微，仅 见面积较小的剥落坑零散分布。在混合区，磨痕中心位置附近出现环状分布的 剥落坑；随着角位移幅值的增大，接触区塑性变形加剧，且材料剥落的颗粒尺 寸增大。磨痕的剖面发现，在塑性变形层与白层的界面易形成平行于接触表面 的横向裂纹，但未见倾斜裂纹。在滑移区，接触区呈现明显的塑性流动，大块 剥落的材料经过反复的碾压，形成第三体层参与了承载。 5 研究发现，t i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 v 对磨副的损伤较t i 6 a 1 4 v s i 3 n 4 对磨副更 加严重。这是因为t i 6 a 1 4 v s i 3 n 4 对磨副的磨屑的形成过程中伴随有水化反应， 使形成的磨屑黏附性增加，形成磨屑层( 三体层) ，磨屑层参与承载，起到了 固体润滑的作用。另外，扭动微动磨损的机制并未随对磨副的改变而有明显变 化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 l i r am - - i i ：- - ：曼曼曼曼曼曼曼量鼍 关键词：摩擦磨损；微动磨损；扭动微动；ti6 ai4 v 合金 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 1 页 皇穹舅曼曼曼舅舅曼曼鼍毫曼曼曼曼曼舅曼皇曼皇鼍曼曼蔓曼孽_ 一一i - 曼蔓鼍曼曼舅 a bs t r a c t t o r s i o n a lf r e t t i n gc a nb ed e f i n e da sar e l a t i v ea n g u l a rm o t i o nw h i c hw a s 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 ni na no s c i l l a t o r yv i b r a t o r ye n v i r o n m e n t a so n eo f b a s i cf r e t t i n gm o d e s ，i to c c u r r e di nm a n ya c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sb a l l v a l v e s ，e n a r t h r o s i so fa r t i f i c i a li m p l a n t ，b a l la n ds o c k e tj o i n t si n ，r o t a t i o n a l f a s t e n e r sa n ds oo n t h u s ，t h et o r s i o n a lf r e t t i n gw e a ri sav e r yi m p o r t a n tf a i l u r e m o d et h a tc a n n o tb ei g n o r e d t h ed a m a g eb e h a v i o r sa n de v o l u t i o no fd e b r i si nt h e e a r l ys t a g eb e t w e e nt h ec o n t a c ts u r f a c eo ft o r s i o n a lf r e t t i n gh a v eb e e nn o tv e r y c l e a ru pt ot h ep r e s e n t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h et o r s i o n a lf r e t t i n gr u n n i n ga n d d a m a g eb e h a v i o r s o ft h et i 6 a 1 4 va l l o ya n di t sv a r i e dc o u n t e r p a i r sh a sa n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et o r s i o n a lf r e t t i n gw e a r t e s t so f t i 6 a 1 4 va l l o yp l a t e sa g a i n s td i f f e r e n tc o u n t e r b a l l s ( t i 6 a 1 4 va l l o ya n ds i 3 n 4 c e r a m i c s ) w e r ec a r r i e do u to n an e wt o r s i o n a lw e a rt e s t e r u n d e rt h ea 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 ( 日) f r o m1 ot o 15o ，t h en o r m a ll o a d ( r ) o f5 0na n dt h e n u m b e ro fc y c l e s ( mf o r m1t o5 0 0 b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ef r i c t i o n a lk i n e t i c s o ft o r s i o n a lf r e t t i n g ，t h ew e a rs c a r sw e r ea n a l y z e db yp r o f i l o m e t e r ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n d3d p r o f i l e r t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 t h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft o r s i o n a lf r e t t i n go ft i 6 a 1 4 va l l o yc a nb e d e s c r i b e db yt h ef r i c t i o nt o r q u e 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 ( 卜曰) c u r v e s d u r i n gt h et e s tp r o c e s s e s ，t h e 卜秒c u r v e sf o rt h et w oc o u n t e r - p a i r so n l yp r e s e n t e d t w ot y p e s ：f e e l l i p t i c ( t h em o t i o no ft h ec o n t a c ti n t e r f a c e sw a sc o o r d i n a t e db yt h e e l a s t o r e l a t i v ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ) a n dp a r a l l e l o g r a m ( t h ec o n t a c ti n t e r f a c e sa r ei n t h es t a t eo fg r o s ss l i p ) l o o p s t h ef r i c t i o nt o r q u eo ft h et i 6 a 1 4 v s i 3 n 4c o u n t e r p a i r w a sh i g h e rt h a nt h a to ft h et i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 vc o u n t e r p a i ri nt h ea 1 1t e s t sd u et o t h ed i f f e r e n c eo fm a t e r i a lp r o p e r t y i tw a st h er e a s o nt h a tt h ec o n t a c ts t i f f n e s so f t h et i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 vc o u n t e r p a i rw a sl o w e r ，w h i c hi n d u c e dt h ei n c r e a s i n go ft h e c o n t a c ta r e aa n dt h er e d u c i n go fc o n t a c ts t r e s s 2 t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r et h r e er u n n i n gr e g i m e sf o rt h et o r s i o n a l f r e t t i n g w h e n0 = 1o ，f r e t t i n gr a ni nt h ep a r t i a ls l i pr e g i m e ( p s r ) ；w h e n0 = 2 5 。a n d 0 = 5 0 ，f r e t t i n gr a ni nt h em i x e df r e t t i n gr e g i m e ( m f r ) ；w h e n 曰= 15 。，f r e t t i n g e n t e r e di n t ot h es l i pr e g i m e ( s r ) t h ef r i c t i o nt o r q u ec u r v e so ft h ep s ra n dm f r w e n tu pp e r s i s t e n t l yd u r i n gt h et e s tp r o c e s s e s ，a n dn o ts t a b i l i z e du n t i l10 0c y c l e s h o w e v e r ，t h ef r i c t i o nt o r q u ec u r v e so ft h es ra p p e a r e d4s t a g e s ：f e a s c e n t ，p e a k v a l u e ，d e s c e n da n ds t e a d ys t a g e s 3 f o rt h et i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 vc o u n t e r - p a i r ，i nt h ep s r ，t h e r ew e r eaf e w d e t a c h m e n ta n ds l i g h tp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h ec o n t a c tz o n e i nt h em f r ，t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 i c o n t a c tz o n eo c c u r r e ds t r o n gp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dp a r t i c l ed e t a c h m e n t w i t ht h e i 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 ef a t i g u ew e a rw a se n h a n c e d ， t h es i z e so ft h ed e t a c h e dp a r t i c l e si n c r e a s e do b v i o u s l y , a n ds o m ed e b r i sw a s r e m o v e dt ot h eo u t e ro ft h ec o n t a c tz o n e t h ea n a l y s e so ft h ec r o s s s e c t i o no ft h e w e a rs c a ri n d i c a t e dt h a tt h ew h i t el a y e rp l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h e p r o c e s so fp a r t i c l ed e t a c h m e n t ，a n di t a l s ow a st h em a i nr e a s o ni n d u c e dt h e m a t e r i a ld e t a c h m e n ti ns h a p eo fb l o c k s o m et i l t e dc r a c k sc a nb eo b s e r v e di nt h e m f r i nt h es r ，s e v e r e rd a m a g ea n ds t r o n gp l a s t i cf l o wc a nb ef o u n d ，a n dt h e w e a rm e c h a n i s m sm a i n l yw e r ed e l a m i n a t i o n ，o x i d a t i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a r 4 w h e nt h et i 6 a 1 4 va l l o yp l a t ea g a i n s tt h es i 3 n 4b a l l ，t h ed a m a g eo ft h e c o n t a c tz o n ew a ss l i g h ti nt h ep s r t h e r ew a so n l yaf e ws m a l l e rd e t a c h e dp i t s s c a t t e r e di nt h ec o n t a c tz o n e i nt h em f r ，s o m ed e t a c h e dp i t sa p p e a r e di ns h a p eo f a n n u l a r i t yn e a rt h e c e n t e ro ft h es c a r s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e a 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 ，t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ec o n t a c tz o n ew a se n h a n c e d ， a n dt h es i z e so ft h ed e t a c h e dp a r t i c l e si n c r e a s e d i tw a sf o u n df r o mt h e c r o s s s e c t i o nt h a tt h el a t e r a lc r a c k sw e r ee a s yt of o r mp a r a l l e l e dt ot h ei n t e r f a c eo f t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ea n dt h ew h i t el a y e r ，b u tn ot i t l e dc r a c kw a so b s e r v e d i nt h es r ，o b v i o u sp l a s t i cd e f o r m a t i o ng e n e r a t e d ，t h eb l o c k so fd e t a c h e dm a t e r i a l w e r eg r o u n dr e p e a t e d l yt of o r mt h et h i r d b o d yl a y e rt oc a r r yt h el o a d s 5 i tw a sf o u n dt h a tt h ed a m a g eo ft h et i 6 a 1 4 v t i 6 a 1 4 vc o u n t e r - p a i rw a s s e r e v e rt h a nt h a to ft h et i 6 a 1 4 v s i 3 n 4c o u n t e r p a i r i tw a st h er e a s o nt h a tt h e d e b r i sf o r m a t i o np r o c e s so ft h et i 6 a 1 4 v s i 3 n 4c o u n t e r - p a i rc o m p a n i e dw i t ht h e h y d r a t i o n ，w h i c hi n c r e a s e dt h ea d h e s i o no ft h ed e b r i st of o r mt h ed e b r i sl a y e r ( t h e t h i r d b o d yl a y e r ) t h ed e b r i sl a y e rt o o kp a r ti nt h ec a r r y i n go f t h el o a d ，a n dp l a y e d a na c t i o n o fs o l i dl u b r i c a n t i na d d i t i o n ，t h ew e a rm e c h a n i s m sh a v en o tb e e n c h a n g e dw i t ht h ev a r i a t i o no f t h ec o u n t e r - p a i r s k e yw o r d s ：f r i c t i o na n dw e a r ；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 ；t i 6 a 1 4 v a l l o y 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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：狄；虽 日期：2 p ，口一衫一i 警师雠：粮 醐： 茹石i 矽，j 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 在新型扭动摩擦磨损试验机上，进行了t i 6 a 1 4 v 平板试样分别和s i 3 n 4 陶瓷球、 t i 6 a 1 4 v 合金球两种对磨副的扭动微动摩擦实验。角位移幅值萨1 0 1 5 0 ，法向载荷 f = 5 0 n ，试验次数n = i 5 0 0 。 2 通过动力学分析，结合表面轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 和 三维形貌仪等进行微观分析，以及进行磨痕的剖面分析，系统地研究了扭动微动的运 行机理与损伤机制。 3 对两种对磨副在扭动微动初期运行和损伤特性进行比较研究，考察摩擦配副对 微动损伤的影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他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，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 狄强 e t 期： 2 0 0 一o - 0i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 摩擦学的定义为：研究做相对运动和相互作用的表面上的各种现象产生、 变化和发展的规律及其应用的一门科学和技术1 1 。它不仅研究自然界中普遍存 在的摩擦、磨损和润滑现象，同时也研究怎样节约资源、能源，保护生态环境 以及提高人类生命质量。摩擦引起的各种磨损、润滑、材料与能源消耗等问题 普遍存在，并且对社会、经济的发展产生了巨大影响【2 3 1 。 1 1 微动摩擦学 1 1 1 微动的基本概念 微动的定义为：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 4 - 5 】。 其造成的材料损伤通常表现为两种形式1 5 】，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，使构件的疲劳寿 命大大降低。这种损伤形式往往危险性更大，可能会造成一些灾难性的事故。 微动摩擦学研究中通常有三种分类：微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀【5 】。 ( 1 ) 微动磨损是指接触表面的相对位移由接触副外界振动引起的微动，接 触副只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力。 ( 2 ) 微动疲劳是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。 ( 3 ) 微动腐蚀是指在电解质或其它腐蚀性介质中发生的微动。 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才是微动的两种基本破 坏机制【5 】，而且这两种机制在三种微动类型中均可能存在。 1 1 2 微动的运动模式 微动现象在实际工况中普遍存在，而且对应的运行状态非常复杂，根据接 触体间相对运动的不同，微动可分为4 种基本运行模式 6 - 9 】，见图1 1 1 ，即： 切向微动；径向微动；转动微动；扭动微动。目前的研究报道主要集 至童圣童奎茎墼圭塑至兰茎堡堡塞堇：至 中在切向微动，后三类微动形式虽然在工业中经常出现，但研究却很少。 991 9 吉肖台 - i 一 a ) 切向微动b ) 径向徽动c ) 转动微动d ) 扭动微动 图】- 1 - 1 球平面接触条件下的4 种基本微动运行模式 3 微动的主要影响因素 影响微动的因素很多，包括：振幅、载荷、频率、循环次数、试样几何形 状、温度、湿度和材料性质等。这多种因素在实际情况中不是简单的叠加，而 是相互影响【m ( 见图l l 一2 1 。 图i - i 一2影响微动的主要因索 4 微动研究的主要理论和最近进展 41 早期的微动损伤机制研究【” o at o m l i a s o n t ”1 认为分子磨损是导致微动磨损的原因，即分子的黏着力 导致表面分子被撕离，随后形成氧化磨屑。dg o d f r e y 1 等认为微动磨损在不 到一个运动循环内即可发生，表面接触引起黏着，从而剥离出极细小的磨屑， 然后氧化。i mf e n g 与b gr i n g h t m i r e 1 提出微动的过程可以分为起始、转移、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 w i ,i i 曼曼量曼曼皇曼皇曼鼍皇曼曼皇曼 减缓和稳定4 个阶段。j s h a l l i d a y 等人【i6 】用光学显微镜、电子显微镜及电子 衍射等研究微动的磨损过程，他们认为相对滑动幅值对微动磨损有影响，而磨 损与氧化无关。h h u h l i f f 7 j 认为微动与化学及机械损伤有关。w a t e r r h o u s e 【l 副 认为微动磨损和黏着磨损类似，氧化在微动磨损中起重要作用。k h r w r i g h t t l 9 】等人强调氧化是引起微动损伤的主要因素。n p s u h 2 0 提出剥层理论： 在切向力作用下，位错塞积的结果形成空穴和萌生裂纹，由于应力场作用次表 面裂纹平行于表面扩展，产生片状磨屑。他认为微动磨损、黏着磨损及疲劳磨 损是由相同机理产生，都能用他提出的剥层理论来描述。r b w a t e r h o u s e 【2 l j 研究了碳钢、纯钛和铝合金的微动磨损，认为磨屑是由于亚表面的裂纹扩展而 成。e s s p r o l e s 等【2 2 】认为：微动磨损分为以下过程：表面破裂、亚表面裂纹、 片状磨屑产生、疲劳裂纹萌生。这是另一种剥层理论。r l h u r r i c k s t 2 3 认为微 动磨损分3 个阶段：( 1 ) 起始阶段，发生黏着及金属的转移；( 2 ) 由于化学及 力学作用，会产生磨屑，磨屑层减少金属的接触；( 3 ) 当微动运行到稳态时， 疲劳是造成损伤的主要因素。19 8 0 年之后，除了上述的研究方法和手段外，微 动图和能量图的方法使微动的研究取得了长足的进步1 2 引。 1 1 4 2 微动图理论 微动不仅受到材料参数的影响，而且也依赖于试验参数( 如位移、载荷、 频率、刚度、接触模式、粗糙度、循环次数等) 1 2 5 - 2 7 。v i n g s b o 和s 6 d e r b e r g 最早提出了微动图【2 8 1 的概念。z h o u 和v i n c e n t t ：2 9 脚1 等在研究大量不同参数和材 料的基础上，发现了微动损伤的混合区，建立了微动图理论，从本质上揭示了 微动运行机制和破坏规律。 1 运行工况微动图 微动试验中f 。d 曲线是微动运行最基本、最重要的信息，而且只有3 种形 状( 见图1 1 3 ) ， f a f 厂 刁 d ， _ 伊 f 。 少 ， 图1 1 33 种基本的r d 曲线示意图【1 2 】 ( 1 ) 直线形：微动处于部分滑移区状态，在位移幅值极小或接触压力较大 的条件下，接触中心处于黏着状态，接触边缘发生微滑，接触表面不发生 相对滑动。 ( 2 ) 椭圆形：微动处于部分滑移状态，摩擦表面通常伴随强烈的塑性变形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 平行四边形：微动处于完全滑移状态，两接触表面发生相对滑移。 根据f 。d 曲线随循环次数的变化过程，可将微动的运行工况分为3 个区 域： ( 1 ) 一d 曲线呈直线形( 如图1 ，i 4 ( a ) ) ，此时微动运行于部分滑移区。 其力学特性符舍m i n d l i n 理论1 3 “，接触表面的位移主要由弹性变形控制。 ( 2 ) f t d 曲线在直线型、椭圆型和平行四边形之间变化( 如图1 1 4 ( b ) ) ， 其对应着微动运行状态的改变，这时微动运行于混合区，通常接触表屡发 生明显的塑性变形。 ( 3 ) f t d 曲线呈平行四边形( 如图l1 4 ( c 1 ) ，此时微动运行于滑移区， 接触表面发生滑移。 。糯io 1 9 ，奠嘲心? s m v ，。、二 一i 专 图i i 4 微动摩擦特性曲线【1 2 】 ”而 2 材料响应微动图 图1 卜5 f a l 和( b 1 为运行工况微动图。在小位移幅值或者大的接触压力下， 微动处于部分滑移区在大位移或者小的接触压力下，微动处于滑移区；介于 二者之问为混合区。 如图l i 一5 ( c ) 和( d ) 所示，在一定的循环次数之后，可以得到由微动磨损和 徽动疲劳两种破坏形式构成的材料响应微动图。其由3 个部分组成即：磨损区、 裂纹区以及轻微损伤区。 从二类徽动图可以发现：磨损主要位于滑移区：部分滑移区的破坏比较轻 微：裂纹首先在混合区萌生，并向滑移区和部分滑移区扩展。因此，微动裂纹 起源和扩展主要发生在混合区j 。 ，l 。 洲。 洲 皇里圣塑查兰墼圭至塞兰兰堡堡塞里! 窒 i 燃笺隧 o n # # m 。 ：8 “m 盎 鼹| | ；魔 耋挲o “受。：函 ”“” 43 能量耗散理论 犀操过程是一个能量产生和耗散的过程，在这个过程中捎耗的能量大部分 以摩擦热的形式释放。能量方法晟早由m o b r b a c h e r 等【35 1 和f o u v r y 等播37 1 提 出。 图1 一1 6 为切向微动所得到的切向力一位移幅僮微动环，每个微动循环中耗 散的能量就是每个平行四边形所包围的面积( d ) ，摩擦系数为。：l 而整个 4 ，d n 微动过程中耗散的能量就是所有微动循环的和，即日= 日， 3 6 o 图1 1 6 摩攘耗散能示意图p - 法向力；d 位移幅值：q - 切向力d 一摩擦耗散能”2 1 b 戮 莨一 期石焉 警攀鞠 至霎童塑奎兰至圭丝圣兰茎堡耋圣堡! 至 1144 微动摩擦学研究的新进展m 】 1 ，从单一模式扩展到多种微动模式 西南交通大学课题组对径向微动的运行和损伤机理进行了系统研究【”4 “， 井系统的对复合微动( 切向与径向复合) 的运行和损伤机理进行了研究【4 3 5 ”。 上述研究将微动从传统的切向模式推广到其它微动模式，揭示了不同微动模式 下的运行规律，深化并发展了微动理论。 2 表面工程抗微动磨损的研究 多种表面处理方法的抗微动损伤性能都进行了研究”l 】：建立了多种涂层的 微动图，揭示了其在微动条件f 的动力学特性、微动区域特性、磨损机制和摩 擦化学作用：总结了涂层提高抗微动损伤性能的本质所在：一整套从失效分析、 力学模拟、表面工程设计到定量优化表面处理方案的抗微动损伤表面工程防护 方法得以建立。 3 生物材料的微动磨损研究得到较快的发展 由于疾病、外伤及自然衰老等原因，大量的人工植八器件被植入到患者体 内。人体器官在行使功能时，植入件不可避免的发生微动磨损1 5 2 4 3 ，如种植义 齿、钛钉、人工心脏瓣膜等。随着患者对修复体美观度、舒适度和安全性能的 要求越来越高，微动损伤的研究受到了重视，尤其是体外实验研究发展较快。 4 ，理论分析得到长足发展 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。例如，图1 一l7 示 出了径向微动条件下的骨接触副界面间的有限元模型及其模拟结果 ”，研究 发现骨单位的环状同心圆结构对应力有弥散作用，环骨板较骨间质有较强的抵 抗径向微动损伤的能力。 圈篓囵! ；| ! 1 啊：ff 一_ = 暇- i a ) 模拟结果f 。= 5 0 nb ) 模拟结果：f = 2 0 0 n 图1 1 7 目横断面在径向微动条件f 的有限元模型和计算获得的应力分布 窒里圣塑奎兰至圭至蜜圭兰堡堡塞篁：要 1 2 扭动微动的研究背景及其现状 121 扭转运动 物体的基本受力形式按其变形特点可归纳为咀下5 种：拉伸、压缩、弯曲、 剪切和扭转。作为一种基本的运动和受力方式，扭动广泛地存在于各种机构中 人类很早就利用自己的聪明与智慧使用扭动运动为来为生产生活服务。远古时 期人类使用工具借助扭转运动进行钻木取火获得火源( 见图卜2 - 1 ) 。 “ 图1 2 1 钻术取火示意图 122 扭动微动的工程实例 1 球阀 在工程中大量应用的球阀中球体与阀体配台面的运动就是一个她型的扭 动磨损( 见图1 2 2 1 ，当相对位移幅度较小时发生的是扭动微动磨损。球阀的 失效会带来不良的后果，如泄露和污染。例如，铜水管是高端品质的饮用水管 但是球阀处的摩擦磨损可能造成水中铜离子浓度超标，人饮用会造成铜离子中 毒，对人体的肝和肥造成严重损害，这是目前环保部门关注的问题。 8 1 球阀b ) 球体所在位霞 图1 2 2 球闻示意图及球体【5 6 】 _ 。承蝴瓣 鸶篮 如果这些球窝接头发生了严重的磨损会导致汽车控制系统失灵。失效的 原因有：( i ) 汽车行使在恶劣的路况时，如凹凸不平的路面，球头在球窝里上下 跳动会，球头与球寓松旷损坏后，会造成定位置失准。( 2 ) 在恶劣的环境，如沙 尘天气，尘土沙粒等异物进入球头，导致球头、球窝异常磨损。( 3 ) 球窝接头的 表面在装配过程中可能己被蘑损。球窝配合面的磨损问题对于汽车行驶十分重 要，但至今，根少看到相关研究或报道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第g 页 3 机车车辆心盘 心盘是铁路机车车辆的主要零部件，i f l 前我国货车车辆转向架普遍采用了 平面式、上下配合的铸钢心盘，它连接着车体和转向架，成为车辆运行中整个转 同架的回转中心，问时传递振动和载荷( 车体的垂直力、横向力、纵向力及回 转摩擦力) ( 见图1 2 - 5 ) ，心盘的磨耗是机车车辆难以避免的问题，成为影响 车辆提速的重大障碍。从上下心盘的运动特点来看，它一个典型的扭动微动磨 损。 a 1b 图1 2 5 货车转向架及使用后心盘【1 2 】 4 人体关节及人工关节 人体中有很多关节在行驶功能时芨生扭动磨损。口腔中的颞颌关节( 见图 1 2 - 6 f a l ) 是颌面部具有复热运动的左右联动关节，承担着咀嚼、咬合、吞咽 等功能。颢领关节的运动非常复杂，但扭动是其基本运动方式之p “。肩关节 ( 见图l 一2 - 6 ( b 1 ) 为全身最灵活的球窝关节，可沿三个互相垂直的运动轴作屈、 伸、内收、外展、旋转以及环转等运动。作为人体承重的戢关节( 见图1 2 - 6 ( e ) ) 是一种杵臼关节，由一个很深的关节窝包绕着大部分的关节头，其活动方向虽 然与球窝关节相似，但园“杵”陷入“臼”中过深，因此活动范围也相应受到 限制，但在支撑身体和下肢活动的走、跑、跳跃等方面起着极其重要的作用。 上述三种关节均可简化为球凹面接触的简单模型( 见图12 - 6 ( d ) ( e ) ( d ) ，可见 扭动磨损是其中一种主要磨损方式，在小角位移幅值时势必进入扭动微动范 脯。 塑里圣堡奎耋至圭至至兰兰堡墼圣里! ! 至 吨萨，聋 f 骨f “) 月* f j 髓* $ w ， l d j忡( 0 图1 2 - 6 人体中j 种多轴关节的运动及其简化模型示意图：( a ) 颞下颌关节 5 ”，( b ) 肩 关节【5 ”，( c ) 髋关节 5 “，( d ) 转动模型，( e ) 简化模型 ( f ) 扭动模型 i2 3 扭动微动的研究现状 对于扭动微动的研究，目前的研究主要分为( 1 ) 理论计算和数值模拟研 究；( 2 ) 实验研究。 1 231 理论计算及数值模拟方法“” f 1 ) l u b k i n 【5 9 】解法：一个平底刚性冲头被压在一个弹性半空问上，并在其 表面扭转( 见图1 2 7 ) 。他认为当两个球体在法向压紧，接触处的压力分布p ： 是球形的： ， pt o 。n 器警 圈1 2 7 两接受压接触球体发生扭转变形【1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 p ：一。：i 3 f z , a 2 _ 瓦口 ( 1 2 - 1 ) 1 0 ，p 口 a ：接触半径，f z 法向力。 对两个不同的球来说，其法向力f z 和压入深度号是接触半径的函数 11 一j - 一 疋= 口3 i 8f r 丁ltr2百(1-2-2) g i 。g 2 蝣矿b 封盘2 盘= 互墨m 2 引 g lg 2g lg 2 r ：球半径，g ：剪切模量，y ：泊松比。 在法向加上扭矩m z ，在环向方向产生轴向剪切应力f f z o = g l o z ( a ，口宰) = 0 ，p a 巧，口宰p 口( 1 - 2 4 ) 厢 + 昙k 2 。州虬沪砸雕，) ) 胚口宰 剪应力的径向分量6 ：，为0 。6 l 的方程即为l u b k i n 方程。a 宰一着区域的半径。 f - 擦系数。 ( 2 ) j o h n s o n 解法【6 0 】：当两个弹性体被一个恒定的法向力压在一起，并且此 时受到一个围绕它们公法线轴而变化着的扭矩或“自旋”矩作用时，法向力产生 一个接触面积以及由h e r t z 理论确定的法向压力分布。扭矩则使一个物体围绕 z 轴相对于另一个物体转过一个小角p 。从计算弹性变形的观点来看，每个物 体都被看作为一个弹性半空间。在一个纯扭矩m ：的作用下，每个物体中的应 力状态都是纯扭，所有的正应力分量消失。在球体接触的情况下，系统是轴对 称的；只有t r o 和t ：o 为非零的应力分量，并且u e 是位移非零的位移。 黏着区的半径径c 由下式确定 云( 1 _ c 2 a 2 ) 咕+ 寺) 础) 卸2 p w ( 1 - 2 - 5 ) 式中d ( k ) = k ( k ) 一e ( k ) ，k = ( 1 一c 2 a 2 ) 2 ，k ( k ) 和e ( k ) 分别为第一类和第二类全 椭圆积分。 扭矩增加时，粘附区的半径减小，并且最后在中心处收缩成一个点。此时 一个物体相对于受一个恒定力矩所阻碍的另一个物体而自由地“自旋”，该力矩 为 m z = 3 z z p a 1 6( 1 - 2 - 6 ) 在所有点处剪应力达到它的极限值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) j a g e r 解法【6 i 】：在一个很小扭力偶作用下，法向接触的两种材料有相 同的切向位移。由于对称，切向位移问题必定是一个刚性体的旋转，所以切向 位移问题和平底冲头刚体与半空间体完全的黏着问题相似。 g ( ，) ：- 了罢堕亍= 鲁m ：i 4 厕3 9 。，完全黏着 ( 1 2 7 ) 堡， 4 g 枭忙n t 詈一口厩 ， 2 gl， 7 u ：= u ，= 0( 1 - 2 9 ) 径向和法向位移为零。对不同材料的部分滑移，法向载荷会产生切应力， 因此当扭动时滑移应力不是轴向的，这个问题和库伦定律有关。 由于当r = a 时，切向应力为无穷大，库仑定律无效且在接触边缘一定发生 滑移。因此必须考虑两个不同的接触区域。这个解法必须使在滑移区域，满足 库仑定律，且在黏着区域也能描述刚性体的旋转。可得到在滑移区域a r a 宰 和黏着区r 墨a 的环向应力： f j 辫出= 伊：，声，口，a + 。l 尹2 1 。i 。r j q o 一( s ，) 亍d k ，白r ，口+ 1 2 - 1 。 转角和扭矩的由滑移区域方程叠加得到。 f l ( a , a * ) = 老g 。( s ) 出 ( 1 2 1 1 ) m ：( 口，以+ ) = 昙石3 9 。( s ) 凼 对一定的压应力p z ： 纵加一等罢腊毗 1 2 3 2 国外堋动微动试验研寅现状 ( 1 - 2 - 1 2 )