微动疲劳的研究进展

T.Wang

微动疲劳的研究进展

摘要：介绍了微动疲劳的概念，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)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

Abstract:The concepts rigs of fretting fatigue were introduced. The domestic and overseas current situation of fretting fatigue studies was reviewed. The influential factors (contact pressure, slip amplitude, experiment frequency, friction force, and environment and material properties) of fretting fatigue and protective measures were analyzed and discussed comprehensively. Some prospects in relation to further researches were also presented.

Key word: friction and wear, retting, fretting fatigue

一．选题背景

      微动疲劳(Fretting Fatigue, FF)是指构件在有微动磨损时的疲劳强度和疲劳寿命问题[1]。它是考虑了微动磨损作用影响的构件或材料的疲劳和断裂的有关理论和实践的科学。当构件中的两个不同部件互相接触时，由于构件的高频、低幅振动或由于一个接触部件的循环载荷作用，接触表面间将出现小幅相对滑动位移。此外，在工作状态下，由于温度波动，引起的部件间热膨胀或热收缩的差异；或在有波动机械载荷的情况下，一个部件对另一个部件的重复冲击，也可导致表面间的小幅接触。在室温条件下，这种接触金属表面间的摩擦滑动促进氧化物碎片的形成，随后的表面损坏通常称为微动磨损。当反复切向位移也使疲劳极限降低和促进疲劳裂纹的形成和扩展时，所引起的损伤称为微动疲劳[2]。

      微动疲劳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[3-5], 它会加速受微动作用构件的接触处表面及表层裂纹的萌生和扩展，从而大大降低部件的疲劳寿命，甚至造成灾难性事故，因此微动损伤被称为工业中的“癌症” 。已有的研究表明，对长寿命的构件，微动疲劳会使其寿命降低30％以上，也有降低80％的例子，甚至更低。表1列出了一些微动疲劳失效的实例。

表1 微动疲劳失效的实例

危害的对象	微动疲劳损失的部位
蒸汽或喷气涡轮发动机	1.地面发动机中驱动轴上涡轮盘的支座 2.航天发动机上叶片与盘接触部位的榫齿或榫槽 3.直升飞机燃气涡轮传动系统中盘/斜面齿轮和驱动轴之间的法兰连接 4.轴向开槽的涡轮发电机转子中，刚性补偿楔形物之间间隙附件转子齿接触面
疲劳载荷结构中的链接	1.飞机机翼和机身机构中的构建和柳钉 2.连接轴中的齿槽和键槽 3.热压配合构件
电缆和绳索	1.电力传输线 2.缆车用绳索 3.海洋环境中的钢索和绳索
轴承	1.汽车主轴轴承 2.仪表轴承
生物植入装置	1.螺帽内侧和与骨头螺纹连接的羁绊中的埋头孔的断裂 2.骨盆替换件中的股骨杆的微动疲劳
火电和核能发动机组	1.发电机组上叶片与盘接触部位的榫齿或榫槽 2.核反应堆有关结构的微动磨损

      微动疲劳现象的广泛存在性以及其危害的严重性使得微动疲劳研究受到各国普遍重视。美国、英国、原苏联、日本、加拿大以及欧洲的其它一些国家都积极进行了微动损伤和微动疲劳方面的研究，并取得了一些成果，在国民经济中发挥了重大的作用。

      我国对于微动损伤的研究工作起步较晚。在我国七十年代才出现微动磨损一词，并于八十年代末开始有了论述高分子材料和金属材料微动磨损研究成果的专著发表。近10余年来，我国开展微动摩擦学实验研究的主要单位已有20多个。随着研究部门对微动损伤研究的重视以及研究投入力度的增加，我国在微动损伤研究方面都取得了很大的进展，但是与国外的研究水平还是存在一定的差距，因此无论从理论探讨还是工程应用方面，我国都需要继续深入开展微动损伤的研究。

二．微动疲劳的影响因素
      
      微动疲劳的影响因素比较多，主要有各种微动参数、外载以及环境条件等。
      （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，疲劳寿命随P的增大而下降。之后的研究更准确地描述了P的影响，如Nakazawa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[ 6]。Adibnazari和Hoeppner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。
      （2）滑移幅值
      相对滑移幅(滑移幅δ)指两接触体发生微动时，局部接触表面间的切向位移幅。Vingsbo等[7]研究表明，δ对微动疲劳寿命存在影响，即当δ处于一定范围内(典型为5~50μm之间[ 8])时微动疲劳寿命缩短，超出此范围后疲劳寿命明显上升。Jin和Mall[9]的研究也得到了类似结论，并表明疲劳寿命和δ的这种关系与P无关。这可能是由于疲劳裂纹在达到最小临界长度之前已被磨损掉，也有人认为磨屑充当了固体润滑层从而导致应力减小所致。周仲荣等的二类微动图理论的建立，揭示了微动疲劳寿命存在凹区的根本原因是接触界面的相对运动处于微动混合区。综上所述，δ对材料微动疲劳强度的影响与P相似，具有“尺寸效应”，即当δ处于临界区域(即混合区)时疲劳寿命最短，而增大或减小滑移幅，避开微动混合区都可以使疲劳寿命提高。
      （3）实验频率
      研究表明:较低频率(f)对疲劳寿命影响不大，但f达到一定值时疲劳寿命明显下降。这主要是由于低频延长了实验时间，进而化学作用机制增强，被氧化的磨屑起了润滑作用。Soderberg和Bryggman分析认为，f的上升会引起表面温度和应变率升高，从而加速微动疲劳和微动腐蚀。Iyer和Mall也认同这种观点，通过对钛合金的测试发现，f从1Hz增加到200Hz,疲劳寿命却逐步下降，这种现象在低应力阶段更为明显。
      （4）摩擦力
      接触表面间摩擦力所引起的切向应力是裂纹萌生和扩展的重要原因。Lykins[10]等指出疲劳裂纹的位置和扩展方向与切向应力有关，最大切应力支配着疲劳裂纹的萌生；Endo和Goto等人也得出了类似的结论。Vingsbo和Soderberg等研究了切向力对微动疲劳行为的影响，表明切向力大小与相对位移有关。在微动疲劳过程中切向摩擦力的检测一直是难点，如果能准确测量接触界面的相对位移幅和摩擦力，则可建立微动疲劳条件下的二类微动图(运行工况微动图和材料响应微动图)。
      （5）微动环境
      环境的影响主要包括温度、湿度、气分、介质等。早期的研究结果指出，钢在空气和真空中的微动疲劳强度取决于损伤程度,而不是环境的影响。但后来该说法被否定，例如Poon[11]等研究表明，真空中微动疲劳寿命是大气环境中的10~20倍；Waterhouse等发现718铬镍铁合金的微动疲劳强度从室温的120MPa上升到540℃时的250MPa；Zhou等人研究表明润滑作用明显改善了接触区磨损，减缓了疲劳裂纹产生,提高了抗微动疲劳性能，还较系统地研究了其他不同因素对疲劳寿命的影响，并引入微动图理论来描述微动损伤。
      （6）接触区材料
      由于材料本身性能的差异，微动运行和损伤行为不尽相同。且微动疲劳常发生在接触表面，材料的表面状态如应力状态、表面粗糙度等直接影响微动疲劳特性。综上所述，影响微动疲劳寿命的因素多且彼此又可能相互关联(时变性、相干性)。许多因素又常受到某一或几个因素的影响。例如，当调整接触压力时，接触应力幅、表面剪应力、滑移幅等也随之改变。并且对若干个影响微动疲劳的参数研究也较难完整地描述微动疲劳行为。因此，微动疲劳的研究十分困难、复杂。目前虽已取得一定进展，但主要集中在简单的点或线接触条件下，而研究复杂接触条件和复杂应力-应场内的微动疲劳行为及寿命的影响因素较少。

三．防护或减缓微动疲劳的措施
   
      基于微动疲劳损伤机理的一些基本认识，许多研究者进行了大量的实验，提出了不同的减缓措施，总结起来可归纳为几类。
      （1）应用表面工程技术
      表面工程抗微动疲劳技术的研究从20世纪六七十年代发展起来，且不断地有新技术得到成功应用。目前对提高抗疲劳性能较有效的技术主要有：表面机械强化、离子注入[12]、离子束辅助沉积硬膜、热喷涂、固体润滑涂层等。喷丸处理已成为钛合金航空部件抗微动疲劳表面处理的标准预处理方法。若将喷丸与其他表面处理方法相结合可能又会得到更佳的复合效果。如钛合金在离子镀、等离子喷涂等处理前进行喷丸强化,抗高温微动疲劳性能有明显提高。King等指出激光喷丸强化抗微动疲劳性能明显优于常规喷丸处理。此外，文献等总结了一些典型抗微动损伤的表面技术，对抗微动疲劳的工程应用也具有一定的指导意义。
      （2）材料的合理选用与匹配
       根据零部件的工作环境合理选择与匹配适当的接触副材料对减缓微动损伤有重要作用。由于黏着和表面疲劳在微动疲劳中起主导作用，因而材料副的选择须着重考虑其抗黏着和抗表面疲劳性能。从目前的发展趋势看，在实际工程中有微动存在的场合将越来越多地使用非金属材料和复合材料。因此，为提高构件的抗疲劳强度应综合考虑各方面因素合理选材。
      （3）优化和改良结构设计
      改变结构设计是控制微动疲劳损伤的有效手段之一。结构设计的简单改变，有时可能收到意想不到的抗微动疲劳效果。当然任何给出的几何结构和设计数据都必须来源于适当模拟实际应用的实验[13]。通过优化结构、减少交变应力幅值、增加部件刚度、保证加工精度等方法，均可抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，不同程度地提高抗微动疲劳性能。因此，若设计人员具备抗微动损伤及其防护方面的知识，许多疲劳问题即可在设计阶段得到有效解决。当然对于许多工程结构，由于多方面的原因，改变结构可能使其他参数不能达标，这时采用表面防护是常用的方法。
      （4）使用润滑介质
      大量研究表明[14]，使用适当的润滑剂(包括润滑油、润滑脂、固体润滑剂)可以明显地减轻微动损伤,提高疲劳寿命。这是由于润滑介质能有效减小摩擦因数、阻止氧的进入,且液体润滑剂能带走磨屑。但润滑剂的选用有一定的局限性，如紧固配合、高温环境等特殊工况。

四．结束语
   
      微动疲劳问题的研究已开展近百年，但因其具有多学科性、多影响因子性、因子参量时变性和相干性等特点，导致研究尚不系统,更不完善，许多领域有待进一步深入。因此有必要结合实际应用中关键微动疲劳部件的服役条件，从不同角度寻求改善微动疲劳性能的有效手段。
      (1)在机理研究方面，应更加贴近工程实际，开展微动疲劳多模式多因数耦合特性及其损伤机理的研究；有针对性地对交通、核电、人工植入器官等特殊服役工况下微动疲劳的研究；对传统的微动疲劳金属材料(目前以钢、钛合金、铝合金最为常见)进行深入系统研究的同时，开展对复合材料、高分子材料、先进陶瓷材料等的机理研究；开展不同运行模式下(拉压、弯曲、扭转)的微动疲劳比较研究和复合微动模式的研究；开展微动疲劳损伤的模拟与仿真；建立新的测试方法、实验手段等。

      (2)在微动疲劳评估方面，开展断裂力学、损伤力学、细观力学和可靠性方面的应用研究，提高微动疲劳行为与寿命预测方法的准确性和普适性，以求准确处理微动失效故障，促进微动疲劳研究的深化与发展，并探索疲劳损伤的早期诊断与监控等，寻求更加合理的微动疲劳失效评估方法和模型，解决工程实际面临的问题。

      (3)在抗微动疲劳方面，探求合理的抗疲劳设计方法，开发有效的抗微动疲劳润滑介质，针对不同表面处理技术进行系统的研究以揭示内在规律外，从不同模式、不同工程应用背景出发进行研究，进一步促进表面工程技术在工业领域的应用。

      (4)在微动疲劳实验方面，着重强调实验手段与实验方法能真实地模拟与再现工程实践中的微动疲劳现象，只有这样才能揭示微动疲劳现象的本质，才能构建合理的模型。

                                           参考文献

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                                                                                  王婷婷   122080706018