微动疲劳研究进展

微动疲劳研究进展

沈明学,彭金方,郑健峰,宋 川,莫继良,朱旻昊

【摘 要】摘要:介绍了微动疲劳的概念和实验装置,详细综述了微动疲劳的国内外研究现状,全面地分析讨论了微动疲劳的影响因素(接触压力、滑移幅值、实验频率、摩擦力、环境、材料性质)、损伤机理、寿命评估方法和防护措施,并提出了今后研究的展望。关键词:摩擦磨损;微动摩擦学;微动疲劳 【期刊名称】材料工程 【年(卷),期】2010(000)012 【总页数】6

【关键词】摩擦磨损;微动摩擦学;微动疲劳

微动疲劳(Fretting Fatigue,FF)现象广泛存在于机械、交通、电力、航空航天,乃至生物医学工程等领域[1-4],它会加速零部件的疲劳裂纹萌生与扩展,从而明显降低服役寿命,甚至造成灾难性事故,因此微动损伤被称为工业中的“癌症”[3]。研究表明,微动能使构件的疲劳寿命降低20%～80%,甚至更低[4]。将微动和疲劳联系起来的报道最早始于1911年[5],Tom lin2 son[6]等于1927年开始系统性研究,1941年Warlow2 Davies[7]的研究表明,微动引起材料疲劳强度下降,由此微动疲劳开始作为一个专题被提出来。自20世纪70年代以来,微动疲劳越来越受到国内外学者的重视[2]。目前关于微动疲劳的研究虽不少,但均未取得重大突破,主要集中在:微动疲劳损伤机理、裂纹的萌生与扩展、对疲劳寿命的有效控制等方面。对微动疲劳损伤的评价标准也尚未统一[2,8]。因此,系统地研究微动疲劳的损伤行为及防护措施,具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 微动疲劳的特征及分类

微动疲劳是指接触体由于承受外界交变疲劳应力(如拉2压,旋转2弯曲,扭转,平面弯曲等)产生不同的变形引起接触界面发生微幅相对运动(通常在微米量级),促使疲劳裂纹早期萌生和加速扩展,从而导致构件过早失效破坏的现象,它是一种伴随微动磨损的疲劳强度和疲劳寿命问题[1,3,4]。与常规疲劳相比,微动疲劳具有以下特征:①接触区周边承受非线性分布载荷,局部应力高度集中;②疲劳裂纹首先在接触区近表面产生;③局部表面损伤严重,它对裂纹萌生和扩展又有推动作用。 微动现象十分复杂,根据接触方式的不同可简单地分为点、线和面接触;按受载类型的不同,又可将其归纳为:①拉压微动疲劳(见图1(a));②弯曲微动疲劳(见图1(b));③扭转微动疲劳(见图1(c))。

目前,国内外的研究主要集中在拉压微动疲劳,而后两种研究相对较少。综合两种以上或结合其他运动方式(如冲击)的复合式微动疲劳在工程领域十分常见,但由于问题的复杂性和研究设备的单一性等原因,为此展开的实验研究较少。

2 微动疲劳的实验装置

国内外研究微动疲劳的实验装置按照微动垫的结构不同主要可分为桥式微动垫[2,9](见图2(a))和圆柱式微动垫[2,10](见图2(b))等。前者为一种面接触装置,其优点在于不管是弯曲还是拉应力作用下微动垫可通过应力环或其他预紧装置固定在标准疲劳试样上,作用于试样的循环应力在微动桥和试样间引起微滑从而实现微动疲劳试验。在20世纪90年代以前该装置被广泛采用,其结构简单,但存在一些不足,首先,微动桥不是完全的刚体,变形造成与试样间的接触条件不好描述;其次,即使是在完全对称情况下,两微动桥脚也不可能完全一致地协调滑动,导致滑移区难以确定。后者为一种线接触的实验装置,20世纪60年代末Nishioka和Hirakaw a[11]等人开始使用,这样微动垫的调整不再显得重要,在

理论上应力可以用传统的分析方法来获得,且应力分析中的正应力P,切向应力Q和试样的远场作用力等参数均可较容易地测量和控制。因此该装置被众多研究者所接受,并成为现在最常用的装置。

此外,很多学者利用更加贴近零部件实际工况的装置开展研究,如燕尾榫联接[2]、电缆线[3]、旋转体紧配合面[12]等的微动疲劳。

3 微动疲劳行为及寿命影响因素

影响疲劳过程的因素很多,包括实验设备、环境及人为因素等。据Dobromirski[8]报道,有高达50余种因素影响微动疲劳过程。许多学者对微动疲劳的影响因素进行了不同的分类,如Bill等[13]将微动疲劳过程的影响因素分成接触条件,环境条件和材料特性及行为三个范畴,Waterhouse[14]将其概括为力学参数,物理参数和环境参数。

然而,近年来的研究[2,4,15,16]表明,应该着重注意以下几种主要因素。 3.1 接触压力

接触压力(法向载荷P)可通过应力环法,液压伺服法,重力法施加。它对磨损量和裂纹的萌生扩展起重要作用,它的变化会导致接触面间摩擦系数和应力集中的不同,从而影响微动疲劳强度。早期研究认为[17,18],疲劳寿命随P的增大而下降。之后的研究[9,15,19]更准确地描述了P的影响,如Nakaza2 wa[9]等指出,在较低P下微动疲劳寿命几乎不受影响,当P达到一定值后疲劳寿命急剧下降,根据微动图理论这是微动运行区域发生改变的原因[3,20]。Adibnazari和Hoeppner[19]发现对疲劳寿命影响的P存在一临界值(它随交变疲劳应力增大而减小),在较高P时对寿命影响不大,并指出这可能是由于当P超过临界值时,滑移幅值达到极限且接触状况发生改变。