关于微动磨损与微动疲劳的研究_周仲荣

磨损与微动疲劳

中国机械工程第11卷第10期2000年10月

文章编号:1004-132Ⅹ(2000)10-1146-05

关于微动磨损与微动疲劳的研究

周　仲　荣

　　　　摘要:微动磨损与微动疲劳是2种主要的微动模式,造成的损伤在工业中

相当普遍,并可能引发灾难性的后果。主要研究了位移幅度、压力和疲劳应力3

个基本微动参数,并以获得的微动区域、微动图为基础,分析了微动磨损与微动疲劳的运行机制和破坏规律。为更好地了解微动磨损与微动疲劳之间的内在联系,进一步探讨了接触磨损与局部疲劳、局部疲劳与整体疲劳之间的竞争机制。

关键词:微动磨损;微动疲劳;微动区域;微动图中图分类号:TG17　　　文献标识码:A

　　微动是发生在两接触表面之间极小幅度(通常为微米量级)的运动。根据运动位移来源的不同,微动可分为微动磨损(位移由外界直接强加给一接触

体)和微动疲劳(位移由一接触体承受交变疲劳载荷时发生的变形)。

如同微动腐蚀一样,大部分文献把微动磨损、微动疲劳当作微动的2种模式[1～9]。然而,也有一些学者把微动磨损和微动疲劳作为2种破坏机制[10],他们认为,微动磨损意味接触表面磨损或材料的损失;微动疲劳意味疲劳裂纹的萌生或疲劳寿命的降低。也有个别学者把微动磨损试验中发现的裂纹视作微动疲劳。

概念上的模糊不清不仅反映了微动现象的复杂性及目前的研究水平,同时也反映了微动磨损与微动疲劳之间可能具有的共性。本文在接触应力状态分析以及微动磨损、微动疲劳试验研究的基础上,分别对其微动区域、微动图和破坏机制等进行了深入的研究和比较,更加清楚地揭示了微动磨损与微动疲劳的内在联系。

(a)微动磨损　　(b)微动疲劳　

(c)预应力条件下的微动磨损

[1]

周仲荣　教授

接触(见图1b)。

为了深入了解外界应力的作用,我们特别设计了介于微动磨损和微动疲劳之间的微动测试装置,即预应力下的微动磨损。该装置的最大特点就是接触表面的运动位移仍然由外界施加,但其中一接触体在试验前已承受一个固定应力(见图1c)

。

图1　3种微动测试装置简图

测试所用的材料种类较多,主要为不同系列的

铝合金、碳钢、镍合金、钛合金,所有试验均在室温下进行。主要试验工况如下:对于微动磨损试验,测试压力(P)为40N～1000N,频率(f)为1Hz～20Hz,施加位移幅度(D)为5μm～100μm;对于微动疲劳试验,测试压力为40N～140N,频率为20Hz,疲劳应力(e)为200MPa～800MPa;对于预应力下的微动磨损试验,预应力为100MPa～375MPa,其它条件与微动磨损试验相同。

1　测试装置

根据运动方式的不同,可以有不同的微动磨损测试装置(如平移式、径向式、扭转式、滚动式)。至

今,包括我们在内的绝大部分研究工作都集中在平移式微动磨损,而且一般采取球或圆柱面与平面接触(见图1a)。

根据疲劳应力特性,通常有拉压式、弯曲式、扭转式微动疲劳,为了方便与微动磨损比较,我们采取拉压式微动疲劳测试装置及球或圆柱面与平面

收稿日期:2000—04—10

基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(59725513)

2　微动区域特性

2.1　微动磨损

摩擦接触表面最重要的信息就是摩擦力随运动位移与时间的变化。对于微动磨损,以铝-锂合金为例,当其它参数不变只改变运动幅度时,可以实测到以下3种性质不同的变化模式,见图2。

(1)部分滑移区(粘着区)　当施加较小的位

磨损与微动疲劳

关于微动磨损与微动疲劳的研究——周仲荣

微分析显示,可以得到描述裂纹发展与表面磨损2种破坏机制的材料响应图(见图3b)。对应于图3a,可以发现:①接触表面的颗粒剥落、磨损主要发生在滑移区,与滑动距离大小直接有关;②混合区是裂纹萌生、扩展最危险的区域,主要与该区域较大的摩擦力、较强的表面塑变及缺少第三体(氧化磨屑)的调节相关;③部分滑移区内,表面磨损轻微,

(a)部分滑移区,D=15μ

m

裂纹的萌生也只发生在高周微动磨损,并靠近部分滑移区与混合区的分界线

。

(b)混合区,D=25μ

m

(a)运行工况微动图,(b)材料响应微动图,

　　　4

N=5×10N=106

图3　微动磨损条件下的微动图

其它材料的微动磨损试验证明,微动图普遍存在,所不同的是微动区域的分布尤其是混合区域的

大小与测试的材料密切相关;材料响应微动图与微动时间密切相关。

(c)滑移区,D=50μm正压力500N,频率1Hz图2　铝锂合金微动摩擦力特性变化

2.2　微动疲劳

大量试验证明,微动疲劳工况下同样可以得到以上3个微动区域。以合金钢(GCr15与35Cr3MoV)材料组成的柱-面接触副为例[7],我们获得类似于微动磨损条件下的运行工况图(见图4),

所不同的是图中横坐标由外界疲劳应力幅值代

移幅度时,该微动区域的绝大部分切向摩擦力随位移的变化呈线性增加,即直线状(见图2a),两接触体在接触边缘发生微滑但不发生相对滑移。处于部分滑移区的微动,以接触表面弹性变形调节为主。

(2)滑移区　与部分滑移区相反,当施加较大的位移幅度时,在整个微动过程中,切向摩擦力的变化起伏较大,尤其在初始阶段,但是所有的摩擦力-位移曲线呈平行四边形状,即在任一循环内,两接触体发生相对滑移(见图2c)。

(3)混合区[11]　当施加介于粘着区与滑移区之间某一位移幅度时,切向摩擦力随位移、时间的变化十分强烈,运动调节机理复杂。在不同微动过程中,接触表面有时以相对滑动调节为主,有时以弹性变形调节为主,间或为塑性变形(见图2b)。当改变压力而其它参数不变时,随着压力的增加,类似地,我们得到部分滑移区、混合区及滑移区。当位移幅度和压力同时改变时,可以得到该材料微动磨损的运行工况图(见图3a)。

经过一定循环次数的微动磨损试验后,金相显

图4　微动疲劳条件下的微动图(N=5×104)

替了位移幅度。显微检测进一步表明,在微动疲劳5×10次后,平面试样35Cr3MoV的破坏区域的分布基本上与运行工况图重合,即接触表面磨损位于滑移区;裂纹在混合区起源、扩展,并伴有少量的接触磨损;在部分滑移区损伤轻微。

如同微动磨损一样,微动疲劳下的微动区域特性与微动幅度(接触区试件变形量)、接触压力等参

4

磨损与微动疲劳

中国机械工程第11卷第10期2000年10月

数直接有关。需要说明的是,微动区域特性虽然与外界疲劳应力有关,因为对于微动疲劳,通过直接改变外界疲劳载荷以改变接触点处的变形量,但是,疲劳应力并不是影响微动区域特性的必要条件,因为在保持外界疲劳载荷最大值不变的条件下,通过改变受载试件的几何尺寸(长度、截面积等),同样可以在接触点处获得不同的变形量,从而影响微动疲劳的微动区域特性。关于这一点,预应力下的微动磨损试验再一次证实,接触表面的拉应力大小几乎不改变微动区域特性及其相应的运行工况微动图

[12～13]

(a)

随位移幅度的变化

。

3　微动磨损与微动疲劳的关系

从弹性接触应力状态分析,无论是微动磨损还是微动疲劳,在静止状态或发生宏观相对滑动时,分别可用Hertz理论和Hamilton公式求解。2种微动模式的最大区别在于过渡状态,即部分滑移区或微滑和粘着共存区。对于微动磨损,根据Mindlin理论,对应于接触中心线,接触表面剪应力及粘着区呈对称分布;而对于微动疲劳条件,根据Hills和Nowell[14,15]等多年的工作,发现粘着区相对于接触中心线不再对称,偏离一 …… 此处隐藏：12184字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……