工業(yè)常用的微動(dòng)模式

微動(dòng)是在兩個(gè)接觸面之間發(fā)生的一個(gè)小擾動(dòng)（通常是微米層）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)位移來源的不同,微動(dòng)可分為微動(dòng)磨損(位移由外界直接強(qiáng)加給一接觸體)和微動(dòng)疲勞(位移由一接觸體承受交變疲勞載荷時(shí)發(fā)生的變形)。如同微動(dòng)腐蝕一樣,大部分文獻(xiàn)把微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞當(dāng)作微動(dòng)的2種模式。然而,也有一些學(xué)者把微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞作為2種破壞機(jī)制,他們認(rèn)為,微動(dòng)磨損意味接觸表面磨損或材料的損失;微動(dòng)疲勞意味疲勞裂紋的萌生或疲勞壽命的降低。也有個(gè)別學(xué)者把微動(dòng)磨損試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋視作微動(dòng)疲勞。概念上的模糊不清不僅反映了微動(dòng)現(xiàn)象的復(fù)雜性及目前的研究水平,同時(shí)也反映了微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞之間可能具有的共性。本文在接觸應(yīng)力狀態(tài)分析以及微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,分別對(duì)其微動(dòng)區(qū)域、微動(dòng)圖和破壞機(jī)制等進(jìn)行了深入的研究和比較,更加清楚地揭示了微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞的內(nèi)在聯(lián)系。1微動(dòng)疲勞試驗(yàn)根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同,可以有不同的微動(dòng)磨損測試裝置(如平移式、徑向式、扭轉(zhuǎn)式、滾動(dòng)式)。至今,包括我們?cè)趦?nèi)的絕大部分研究工作都集中在平移式微動(dòng)磨損,而且一般采取球或圓柱面與平面接觸(見圖1a)。根據(jù)疲勞應(yīng)力特性,通常有拉壓式、彎曲式、扭轉(zhuǎn)式微動(dòng)疲勞,為了方便與微動(dòng)磨損比較,我們采取拉壓式微動(dòng)疲勞測試裝置及球或圓柱面與平面接觸(見圖1b)。為了深入了解外界應(yīng)力的作用,我們特別設(shè)計(jì)了介于微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞之間的微動(dòng)測試裝置,即預(yù)應(yīng)力下的微動(dòng)磨損。該裝置的最大特點(diǎn)就是接觸表面的運(yùn)動(dòng)位移仍然由外界施加,但其中一接觸體在試驗(yàn)前已承受一個(gè)固定應(yīng)力(見圖1c)。測試所用的材料種類較多,主要為不同系列的鋁合金、碳鋼、鎳合金、鈦合金,所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。主要試驗(yàn)工況如下:對(duì)于微動(dòng)磨損試驗(yàn),測試壓力(P)為40N～1000N,頻率(f)為1Hz～20Hz,施加位移幅度(D)為5μm～100μm;對(duì)于微動(dòng)疲勞試驗(yàn),測試壓力為40N～140N,頻率為20Hz,疲勞應(yīng)力(σ)為200MPa～800MPa;對(duì)于預(yù)應(yīng)力下的微動(dòng)磨損試驗(yàn),預(yù)應(yīng)力為100MPa～375MPa,其它條件與微動(dòng)磨損試驗(yàn)相同。2微動(dòng)區(qū)域特征2.1時(shí)間、速度摩擦接觸表面最重要的信息就是摩擦力隨運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的變化。對(duì)于微動(dòng)磨損,以鋁-鋰合金為例,當(dāng)其它參數(shù)不變只改變運(yùn)動(dòng)幅度時(shí),可以實(shí)測到以下3種性質(zhì)不同的變化模式,見圖2。(1)接觸體的兩接觸體摩擦穩(wěn)定性的變化當(dāng)施加較小的位移幅度時(shí),該微動(dòng)區(qū)域的絕大部分切向摩擦力隨位移的變化呈線性增加,即直線狀(見圖2a),兩接觸體在接觸邊緣發(fā)生微滑但不發(fā)生相對(duì)滑移。處于部分滑移區(qū)的微動(dòng),以接觸表面彈性變形調(diào)節(jié)為主。(2)摩擦的力學(xué)性能與部分滑移區(qū)相反,當(dāng)施加較大的位移幅度時(shí),在整個(gè)微動(dòng)過程中,切向摩擦力的變化起伏較大,尤其在初始階段,但是所有的摩擦力-位移曲線呈平行四邊形狀,即在任一循環(huán)內(nèi),兩接觸體發(fā)生相對(duì)滑移(見圖2c)。(3)微動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)施加介于粘著區(qū)與滑移區(qū)之間某一位移幅度時(shí),切向摩擦力隨位移、時(shí)間的變化十分強(qiáng)烈,運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)理復(fù)雜。在不同微動(dòng)過程中,接觸表面有時(shí)以相對(duì)滑動(dòng)調(diào)節(jié)為主,有時(shí)以彈性變形調(diào)節(jié)為主,間或?yàn)樗苄宰冃?見圖2b)。當(dāng)改變壓力而其它參數(shù)不變時(shí),隨著壓力的增加,類似地,我們得到部分滑移區(qū)、混合區(qū)及滑移區(qū)。當(dāng)位移幅度和壓力同時(shí)改變時(shí),可以得到該材料微動(dòng)磨損的運(yùn)行工況圖(見圖3a)。經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)的微動(dòng)磨損試驗(yàn)后,金相顯微分析顯示,可以得到描述裂紋發(fā)展與表面磨損2種破壞機(jī)制的材料響應(yīng)圖(見圖3b)。對(duì)應(yīng)于圖3a,可以發(fā)現(xiàn):①接觸表面的顆粒剝落、磨損主要發(fā)生在滑移區(qū),與滑動(dòng)距離大小直接有關(guān);②混合區(qū)是裂紋萌生、擴(kuò)展最危險(xiǎn)的區(qū)域,主要與該區(qū)域較大的摩擦力、較強(qiáng)的表面塑變及缺少第三體(氧化磨屑)的調(diào)節(jié)相關(guān);③部分滑移區(qū)內(nèi),表面磨損輕微,裂紋的萌生也只發(fā)生在高周微動(dòng)磨損,并靠近部分滑移區(qū)與混合區(qū)的分界線。其它材料的微動(dòng)磨損試驗(yàn)證明,微動(dòng)圖普遍存在,所不同的是微動(dòng)區(qū)域的分布尤其是混合區(qū)域的大小與測試的材料密切相關(guān);材料響應(yīng)微動(dòng)圖與微動(dòng)時(shí)間密切相關(guān)。2.2破壞區(qū)域的分布大量試驗(yàn)證明,微動(dòng)疲勞工況下同樣可以得到以上3個(gè)微動(dòng)區(qū)域。以合金鋼(GCr15與35Cr3MoV)材料組成的柱-面接觸副為例,我們獲得類似于微動(dòng)磨損條件下的運(yùn)行工況圖(見圖4),所不同的是圖中橫坐標(biāo)由外界疲勞應(yīng)力幅值代替了位移幅度。顯微檢測進(jìn)一步表明,在微動(dòng)疲勞5×104次后,平面試樣35Cr3MoV的破壞區(qū)域的分布基本上與運(yùn)行工況圖重合,即接觸表面磨損位于滑移區(qū);裂紋在混合區(qū)起源、擴(kuò)展,并伴有少量的接觸磨損;在部分滑移區(qū)損傷輕微。如同微動(dòng)磨損一樣,微動(dòng)疲勞下的微動(dòng)區(qū)域特性與微動(dòng)幅度(接觸區(qū)試件變形量)、接觸壓力等參數(shù)直接有關(guān)。需要說明的是,微動(dòng)區(qū)域特性雖然與外界疲勞應(yīng)力有關(guān),因?yàn)閷?duì)于微動(dòng)疲勞,通過直接改變外界疲勞載荷以改變接觸點(diǎn)處的變形量,但是,疲勞應(yīng)力并不是影響微動(dòng)區(qū)域特性的必要條件,因?yàn)樵诒３滞饨缙谳d荷最大值不變的條件下,通過改變受載試件的幾何尺寸(長度、截面積等),同樣可以在接觸點(diǎn)處獲得不同的變形量,從而影響微動(dòng)疲勞的微動(dòng)區(qū)域特性。關(guān)于這一點(diǎn),預(yù)應(yīng)力下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)再一次證實(shí),接觸表面的拉應(yīng)力大小幾乎不改變微動(dòng)區(qū)域特性及其相應(yīng)的運(yùn)行工況微動(dòng)圖。3微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞特性從彈性接觸應(yīng)力狀態(tài)分析,無論是微動(dòng)磨損還是微動(dòng)疲勞,在靜止?fàn)顟B(tài)或發(fā)生宏觀相對(duì)滑動(dòng)時(shí),分別可用Hertz理論和Hamilton公式求解。2種微動(dòng)模式的最大區(qū)別在于過渡狀態(tài),即部分滑移區(qū)或微滑和粘著共存區(qū)。對(duì)于微動(dòng)磨損,根據(jù)Mindlin理論,對(duì)應(yīng)于接觸中心線,接觸表面剪應(yīng)力及粘著區(qū)呈對(duì)稱分布;而對(duì)于微動(dòng)疲勞條件,根據(jù)Hills和Nowell等多年的工作,發(fā)現(xiàn)粘著區(qū)相對(duì)于接觸中心線不再對(duì)稱,偏離一個(gè)尺寸。從試驗(yàn)分析看到,無論微動(dòng)磨損還是微動(dòng)疲勞都可能存在2種破壞機(jī)制:表面磨損和裂紋萌生、擴(kuò)展。不容置疑,磨損本質(zhì)上是由接觸表面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,其磨損程度與滑移距離密切相關(guān);裂紋是由疲勞應(yīng)力作用引起,不過這里需要指出的是,疲勞可分為由接觸交變應(yīng)力引起的局部疲勞與外界交變應(yīng)力引起的整體疲勞2種。要弄清微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞的本質(zhì)聯(lián)系,必須了解接觸磨損與局部接觸疲勞,局部疲勞與整體疲勞之間的競爭機(jī)制。3.1相減常變材料m微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞都可能發(fā)生接觸磨損與局部接觸疲勞,接觸磨損以微動(dòng)斑的形貌(面積、磨坑深度等)與第三體(磨屑)產(chǎn)生和溢出等這些動(dòng)態(tài)變化為特征,局部接觸疲勞主要指裂紋的萌生及早期擴(kuò)展。其實(shí),接觸磨損與局部接觸疲勞在微動(dòng)過程中存在一種競爭機(jī)制。以鋁合金的微動(dòng)磨損為例,接觸表面的微動(dòng)對(duì)疲勞裂紋的影響可以通過萌生一條裂紋(可定義一個(gè)裂紋長度,如對(duì)鋁合金,當(dāng)裂紋深度達(dá)100μm,即與晶粒尺寸同一量級(jí)時(shí),認(rèn)為裂紋已萌生)所需的最小循環(huán)次數(shù)Ni來表示(見圖5)。參照微動(dòng)區(qū)域的分布,從圖5可發(fā)現(xiàn)以下2個(gè)共同點(diǎn):①裂紋在混合區(qū)萌生最快,也就是說,Ni最小,處于103～104次之間,而對(duì)于部分滑移區(qū)和滑移區(qū),微動(dòng)對(duì)裂紋萌生的影響減弱;②在微動(dòng)磨損中,裂紋的萌生有一個(gè)潛伏期,其長短與微動(dòng)區(qū)域密切相關(guān)。所不同的是,Ni的變化在圖5a較為劇烈,而在圖5b相對(duì)緩慢,這與混合區(qū)的大小有關(guān)。其實(shí),裂紋的產(chǎn)生與接觸表面的摩擦力大小,更確切地說與交變接觸應(yīng)力大小密切相關(guān),而直接影響應(yīng)力大小的是表面的磨損。在滑移區(qū)內(nèi),表面接觸磨損較為嚴(yán)重,快速的表面顆粒剝落、磨損,不僅可以消除接觸表面可能形成的微裂紋,甚至極大地降低了裂紋核形成的可能性。而且,磨損使得實(shí)際接觸面積加大,平均壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力降低,加上由于大量被氧化的第三體起到的潤滑、調(diào)節(jié)作用,使得剪切應(yīng)力進(jìn)一步減小,在接觸表面上應(yīng)力的分布也更加平緩,局部接觸疲勞的效應(yīng)明顯降低。在混合區(qū)內(nèi),顯微檢測發(fā)現(xiàn)實(shí)際接觸面積隨微動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加幾乎不變,磨損輕微,同一接觸表面受到較大的切向力反復(fù)作用(局部疲勞),表層塑變強(qiáng)烈,裂紋能迅速發(fā)展。在部分滑移區(qū),微動(dòng)主要靠接觸表面的彈性變形來實(shí)現(xiàn),切向力較小,局部接觸疲勞輕微,裂紋只可能在高周微動(dòng)下萌生。3.2局部接觸疲勞和一般疲勞3.2.1微動(dòng)疲勞試驗(yàn)與普通疲勞相比,構(gòu)件的微動(dòng)疲勞壽命明顯降低,然而文獻(xiàn)研究表明,不同工況下,壽命降低的比例大不相同。其實(shí),壽命的降低與局部接觸疲勞的強(qiáng)烈程度有著重要的聯(lián)系。早期的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于鋁合金的微動(dòng)疲勞,存在一個(gè)臨界接觸表面位移幅度,當(dāng)幅度大于3μm～8μm后,疲勞壽命不再降低;Nakasawa在研究壓力對(duì)微動(dòng)疲勞影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在給定的交變應(yīng)力幅度下,疲勞壽命總體上隨壓力的增加而減小,但是在一定的壓力變化范圍內(nèi),出現(xiàn)一個(gè)疲勞壽命明顯降低的凹區(qū);一些研究還表明,微動(dòng)疲勞具有一個(gè)臨界微動(dòng)次數(shù)或潛伏期,就是說,經(jīng)過一個(gè)臨界微動(dòng)次數(shù)后分離微動(dòng)摩擦副,可以看到疲勞壽命明顯降低,相反,超過這一臨界微動(dòng)次數(shù),即使繼續(xù)保持微動(dòng)摩擦副,疲勞壽命不再降低。Vingsbo在綜合研究別人微動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)一個(gè)普遍的變化規(guī)律:在同一應(yīng)力幅值下,疲勞壽命隨位移幅度的增加而迅速減小,到大約12μm時(shí)為最低,然后隨位移幅度的增加反而增加(見圖6a);在同一位移幅度下,疲勞壽命隨正壓力的增加而迅速減小,到大約20N時(shí)出現(xiàn)最短的壽命,然后隨正壓力的不斷增加而增加(見圖6b)。Vingsbo還參考微動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果,推斷疲勞壽命凹區(qū)磨損輕微,并伴隨著接觸工況的改變。上述結(jié)論或推測已不同程度地反映了局部疲勞對(duì)整體疲勞壽命的影響,但是,尚未有學(xué)者直接在微動(dòng)疲勞工況下對(duì)局部疲勞與整體疲勞進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。事實(shí)上,合金鋼35Cr3MoV拉伸式微動(dòng)疲勞(與GCr15接觸)的研究表明,當(dāng)壓力保持100N不變,交變應(yīng)力幅值從300MPa增加到700MPa時(shí),發(fā)現(xiàn)處于混合區(qū)工況下(見圖5),疲勞試樣在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂,循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于106,如應(yīng)力幅值為600MPa時(shí),僅為1.2×105;處于部分滑移區(qū)/混合區(qū)、混合區(qū)/滑移區(qū)等區(qū)域分界點(diǎn)時(shí),如應(yīng)力幅值為400MPa、700MPa時(shí),有的發(fā)生斷裂,有的在107次后仍未發(fā)生斷裂;而處于部分滑移區(qū)時(shí),在小于2×106次時(shí),未觀測到疲勞試樣的斷裂,也就是說,局部疲勞對(duì)整體疲勞影響輕微。綜合分析得到,隨著壓力、位移的增加,微動(dòng)疲勞壽命的變化曲線出現(xiàn)一個(gè)凹區(qū)。其實(shí),凹區(qū)與混合區(qū)直接相關(guān)(見圖5),是局部接觸疲勞最為強(qiáng)烈的區(qū)域。3.2.2微動(dòng)疲勞與局部疲勞同時(shí)存對(duì)于常見的簡單拉伸疲勞,裂紋通常垂直于表面萌生、擴(kuò)展。在局部接觸疲勞工況下,裂紋的起源及早期擴(kuò)展的性能十分復(fù)雜,以鋁合金的微動(dòng)磨損為例,多達(dá)6種,不過,最典型的一種處于混合區(qū);裂紋在兩接觸邊緣以與微動(dòng)方向成一角度傾斜萌生、擴(kuò)展。而對(duì)于微動(dòng)疲勞,局部接觸疲勞與整體疲勞同時(shí)存在,裂紋通常先以一角度傾斜于接觸表面萌生、擴(kuò)展,到一定深度后,突然改變擴(kuò)展方向,并垂直于表面繼續(xù)擴(kuò)展。從微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞的不同裂紋發(fā)展模式中可以看到,裂紋的早期