微动、疲劳磨损.doc

4.4 4.4.1 微动磨损 一．概述 1. 微动磨损定义 70 年代欧洲合作与发展组织（OECD）的定义： 两个表面之间发生小振幅相对振动引起的磨损现象 微动损伤中化学或电化学反应占重要地位的则称为微动腐蚀（Fretting Corrosion） 微动磨损的部件，同时或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低或早期断 裂的现象称为微动疲劳（Fretting Fatigue） 2. 微动磨损的发展历程 1911 年，Eden、Rose 和 Cunningham 首先观察到微动与疲劳的联系； 1924 年，Gillet 和 Mack 发表了机器紧固件因微动导致疲劳寿命明显降低的报告； 1927 年，Tomlinson 认为腐蚀是次要因素并提出了一种微动机理； 1941 年，Warlow-Davies 注意到微动可以加速疲劳破坏； 1949 年，Mindlin 提出在一定条件下，微动区存在滑移区和非滑移区，计算分析了接触表 面的应力分布； 1950 年，第一届 ASTM Symposium On Fretting Corrosion 在美国的 Philadelphia 召开，并宣 读五篇论文，会上由 I—Ming Feng 和 Rightmire 提出了一种微动理论； 1951 年，Uhlig 在 J．Appl．Mech 发表了题为 Mechanism Of Fretting Corrosion 的论文； 1969 年，Nishioka、Nishimura 和 Hirakawa 提出了一种早期的微动疲劳模型； 1970 年，Hurrick 在 Wear 发表 The Mechanism Of Fretting 的论文，认为微动分为三个过程；1972 年，Waterhouse 发表了首部编著 Fretting Corrosion，Hoeppner 提出了微动疲劳极限的 概念； 1974 年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft 在德国 Munich 召开，发表论文 16 篇； 1977 年，Waterhouse 将大位移滑动磨损的剥层（delamination）理论引入微动磨损的研究； 1981 年，Waterhouse 编辑出版了由 10 篇论文组成的 Fretting Fatigue 论文集； 1982 年，第二届 ASTM Symposium On Materials Evaluation under Fretting Conditions 在美国 Philadelphia 召开，宣读论文近 20 篇； 1985 年，Wear 编辑出版了在英国 Nottingham 召开的 Fretting Wear Seminar 会议专辑，发 表了 15 篇论文； 1988 年，Wear 期刊在 Waterhouse 退休之际，编辑出版了他的 13 篇论文专辑，在该专辑中， Berthier、Vincent 和 Godet 提出 Velocity Accommodation 理论； 1990 年，Godet 提出微动三体理论； 1990 年，第三届 ASTM Symposium On Standarization Of Fretting Fatigue Tests Methods and Equipment 在美国的 Philadelphia 召开，宣读论文 20 篇； 1992 年，Waterhouse 发表了 Fretting Wear 综述论文； 1992 年，Zhou 和 Vincent 提出二类微动图理论，成为揭示微动运行和损伤规律的重要理论；1993 年，在英国的 Sheffield 召开 International Symposium On Fretting-Fatigue，宣读论文 37 篇； 1996 年，在英国的 Oxford 召开 Euromech 346 On Fretting Fatigue 会议，宣读论文 18 篇； 1997 年，在中国成都召开首届 International Symposium On Fretting，宣读论文 32 篇； 1998 年，在美国 Salt Lake City 召开 2nd International Symposium On Fretting Fatigue，发表学术论文近 40 篇； 2001 年，在日本召开 3rd International Symposium On Fretting Fatigue，并形成每 3 年一次的 微动疲劳系列国际会议。

3. 一些统计数据 （1）国家和地区的分布 按照发表论文的数量，主要有英国、法国、美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、 瑞士和比利时这些国家发表的论文数占论文总数的 90％以上 （2）研究机构及人员 约有 300 名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论 文，一半左右仅出现一次署名发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研究单位，主要集 中在法国、英国、美国 （3）研究领域分布 微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半，而有关微动腐蚀的论文相对较少 （4）研究内容 ① 基础研究从简单的工业微动破坏现象的观察、单一实验参数的影响，走向破坏机理的实验分析、 综合机械材料参数（如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等）的影 响 从平移微动模式的研究，走向其他微动模式（如径向、滚动、扭动、冲击等模式）和 复合微动模式等的研究 ② 理论分析 理论分析不再局限于 Hertz 弹性接触理论，而借助计算机、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 ③ 新材料过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现在已有不少研究者 开始致力于各种新材料的微动损伤规律的研究。

④ 环境影响 微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之 外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动 破坏机理的研究也得到积极开展 ⑤ 防护措施 研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏研究并重的阶段，各种减缓技 术如表面处理、润滑和结构设计改进等有很大的进展 ⑥ 工业应用 航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入器官、电接触等工业领 域的微动损伤已日益成为研究热点 4. 微动磨损的特征 具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷热循环等） ，流体运动所诱发的振动； 磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹； 磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物 二、微动磨损理论 一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列实验现象作出合理的解释： 真空或惰性气氛中微动损伤较小； 微动产生的磨屑主要由氧化物组成；循环数一定时，低频微动比高频损伤大； 材料流失量随负荷和振幅而增加； 低于室温比高于室温的磨损严重； 空气环境比湿空气中损伤大 1.Uhlig 模型 该理论建立在表面微凸体受到氧化和机械磨损的交替作用上。

室温下铁的氧化为：每一循环造成氧化层的重量损失为：每一循环金属的磨损量为：总的微动磨损量：第一项化学因素引起；第二项机械因素引起 微动磨损量是： 微动频率的双曲线函数 负荷的抛物线函数 循环次数和振幅呈线性关系 Uhlig 根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：Uhlig 的模型不足： 忽略了氧化膜起到防止材料粘着的有利作用 忽略了微动过程中磨屑参与磨损的作用因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少对微动磨损随循环次数的变化规律不能给 予完满的说明 2.Feng 和 Rightmire 模型)1ln(  TtcbKW)12ln(2  bfTsncbKWcbcnKWm 2')2(2 bPNKfNPKPKWWWmc21210)(     bPNfNPPW682161016. 4)105 . 11005. 5(         Feng 和 Rightmire 在总结微动循环次数与材料失重关系后提出来的 可以将曲线分为四个阶段： OA 段：由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升； AB 段：从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲； BC 段：磨粒作用下降，从而减缓材料损失； CD 段：最后达到稳定磨损率。

接触首先发生在微凸体上，少量磨屑落入谷内；磨屑填满谷，使磨损变成磨粒磨损许多微凸体合并成一个小平台；磨屑进一步增加，并开始从接触区溢出进入邻近的洼谷区；接触区压力再分布，中心压力增高，边缘压力降低，使中心的磨粒磨损加重，凹坑迅速加 深模型很快为科学家们所接受： 形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征 不足：至今尚未达到令人满意的定量描述 3. 微动的三体理论 微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两个连续和同时发生的过程： ① 磨屑的形成过程 接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加工硬化； 加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着白层的破碎，颗粒剥落； 颗粒被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振幅、频率、 载荷等） ② 磨屑的演化过程 起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级（约 1μm） ； 在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微米量级（约 0.1μm） ； 磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒（约 10nm） ，射线衍射分析表明 磨屑含 α-Fe、α-Fe2O3（呈红色）和低百分比的 Fe3O4。

利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程： ①接触表面膜去除，摩擦系数较低； ②第一、二体之间相互作用增加，发生粘着，摩擦系数上升，并伴随材料组织结构变化；③磨屑剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体的保护作用，粘着受 抑制，摩擦系数降低； ④磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平 衡，微动磨损进入稳定阶段 3. 微动磨损的发展过程 （1）粘着机制在微动磨损中的作用 普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形成冷焊点，受切向力作用发生断裂，同时出 现材料转移这是单方向上一次作用下实现的 微动磨损中： 金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复式多次反复运动，使某些冷焊点发生断裂， 同时出现材料转移，因此，磨损率低 微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速增大发生断裂并形成松散磨粒后， 粘着倾向会逐渐减小，最后过渡到平稳阶段粘着阶段持续的时间与材料及环境有关 同种金属在一起微动时易发生粘着，而且两表面的损伤程度相同 异种金属微动时，损伤主要出现在较软的金属表面上 经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，振幅对粘着系数的影响有相同的结果。

微动振幅对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合金化程度的增加，粘着的机会明显 减小 合金化不仅增加了材料的强度，更重要的是改变了金属表面氧化膜的性质2）氧化作用 金属表面的氧化膜对防止冷焊十分有效，有利于防止粘着 能在金属表面生成附着牢固，且在微动下能出现一层釉质氧化物层的材料，其磨损量和摩 擦系数将随微动而明显下降氧化对微动磨损的影响： 贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损，氧不参与作用，以粘着及塑性变形机制为主；薄而附着不牢的氧化膜，在不到一次微动循环便被破坏，这时氧化与机械两种机制均对微 动磨损有贡献； 氧化较严重而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机械两种机制的协同作用加速表面破坏； 氧化层致密能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝合金在高温下的微动磨损，氧化作用缓解了 机械摩擦导致的损伤 （3）微动磨损的稳态阶段 稳态阶段是微动磨损的主要阶段，用它来评价材料的耐磨性是合理的 稳态阶段哪种磨损机制占主导地位呢？ 1973 年 N.P.Suh 提出磨损剥层理论。