交变接触载荷下的铝合金微动疲劳

交变接触载荷下的铝合金微动疲劳

陈 旭，李建军，陈 刚，王 磊

【摘 要】摘 要：针对机械工业中广泛存在的微动疲劳失效问题，自主设计开发了一套接触载荷实时可控的微动疲劳试验系统，研究了恒定接触载荷和交变接触载荷对6061-T651铝合金微动疲劳寿命的影响．结果表明：在交变接触载荷条件下，存在一个临界接触载荷使得微动疲劳寿命最低，且微动疲劳寿命随着平均接触载荷的增加呈现先减小后增加的变化行为；在低接触载荷作用下，交变接触载荷条件下的微动疲劳寿命明显低于恒定接触载荷条件下的微动疲劳寿命；在高接触载荷作用下，交变接触载荷与恒定接触载荷对微动疲劳寿命的影响相近．

【期刊名称】天津大学学报 【年(卷),期】2017(050)005 【总页数】7

【关键词】微动疲劳；交变接触载荷；微动面；铝合金

微动磨损是指两个紧密配合的构件在接触表面上发生微小幅度的、反复的相对滑动，造成对构件表面的机械损伤．构件在微动磨损和交变载荷作用下接触表面较早产生疲劳裂纹，并且加速疲劳裂纹的扩展，最终导致构件在大大低于材料疲劳极限时失效的现象称为微动疲劳，其广泛存在于各类机械工程领域，被称为工业界的“癌症”[1-2]．例如：在航空领域，飞机发动机涡轮与叶片的榫接处、隔框和蒙皮的搭接组合处常发生微动疲劳失效[3]；在核电领域，核反应堆中弹性支持件之间因热循环产生径向微动损伤[4]；在铁路运输领域，火车车轴与轮毂在紧密配合处发生的弯曲微动疲劳失效[5]；在汽车工业领域，活塞连

杆机构、发动机悬置总成下骨架等关键的连接件存在微动疲劳失效现象[6]．微动疲劳问题已引起工程界的广泛关注．影响微动疲劳的参量较多，且其相互影响，如轴向循环载荷、摩擦数、接触压力、滑移幅值、接触几何、频率和温度等．Dobromirski[7]研究表明微动疲劳过程中主要影响参量为摩擦系数、滑移幅值和接触载荷，其中，摩擦系数取决于材料的基本性能和表面处理状态，而滑移幅值在恒定的轴向载荷条件下主要取决于接触载荷．目前针对接触载荷对微动疲劳过程的影响已有大量的研究，研究表明随着接触载荷的增加，微动疲劳寿命逐渐减小，且存在某一接触载荷阈值[8-9]．Naidu等[10]发现微动疲劳寿命随着接触载荷的增加，呈现先减小后增加最后减小的变化行为．Nakazawa等[11]认为接触载荷对微动疲劳寿命的影响与轴向循环载荷的大小有关．但是，在实际的工程应用中，构件承受的接触载荷并不是恒定不变的，如飞机发动机涡轮与叶片的接触载荷会随着飞机飞行过程中涡轮转速的变化而变化；在核反应堆中弹性支持件会随着压力容器或管道中高压蒸汽的压力变化而变化．Hills等[12]也提出研究变化的接触载荷对微动疲劳寿命影响是非常必要的．目前，针对材料在交变接触载荷条件下微动疲劳特性的研究还鲜见报道．

在微动疲劳试验台的发展方面，现有的微动疲劳试验台大多是在常规疲劳试验机的基础上设计一个微动接触装置．但是，由于微动疲劳过程的影响因素较多，在微动疲劳研究领域中研究的对象又各不相同，迄今为止国际上还没有统一的标准微动疲劳试验台．Neu[13]对微动疲劳试验装置进行了回顾和总结．接触装置可以分为桥式、单卡头式和爪式3类．Waterhouse[1]在20世纪60年代首次提出应力环桥式接触装置，后来由于其结构简单、成本低而成为微动疲劳

试验研究中主要的接触加载装置之一[14-15]. Nowell等[16]基于经典的Hertz接触理论[17]开发了一套单卡头式的接触装置，其可以独立控制微动疲劳过程中切向载荷的变化，从而实现单一变量对微动疲劳特性影响的研究，目前也被广泛地应用于微动疲劳研究领域[8-9]．此外，Szolwinski等[18]指出微动疲劳试验装置最好能够对重要参数进行实时检测和控制，确保能够独立地研究参数对微动疲劳特性的影响．目前，还没有相关的微动疲劳试验台能够实现接触载荷在微动疲劳试验过程中被实时控制和检测．

因此，本文设计和制造了一套采用电机转动的加载方式来实现微动疲劳接触载荷施加的试验装置，选取在恒定幅值的轴向循环载荷作用下，对6061-T651铝合金分别进行了恒定接触载荷和交变接触载荷条件下的微动疲劳试验．最后，通过分析比较得出交变接触载荷对微动疲劳寿命的影响，同时，通过扫描电子显微镜(SEM)观察并分析讨论了试样微动面和疲劳断口的形貌特征．

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料及尺寸

本文中微动疲劳试样和微动垫采用平板与圆柱面接触的方式，试验材料为6061-T651铝合金，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示．根据标准ASTM E466—2007[19]设计了微动疲劳板试样的尺寸．另外，微动垫的接触半径选择为50,mm，其通过螺纹与微动接触装置相联接，具体尺寸如图1所示．试样的标距段和微动垫的圆柱面都经过600～1,200目等级的砂纸从小到大进行抛光处理，最大限度地减少表面缺陷． 1.2 试验装置

本文采用单卡头式的接触形式在普通电液伺服疲劳试验机上设计和搭建一套微