微動(dòng)疲勞研究進(jìn)展

沈明學(xué),彭金方,鄭健峰,宋 川,莫繼良,朱旻昊

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,成都610031)

微動(dòng)疲勞研究進(jìn)展

沈明學(xué),彭金方,鄭健峰,宋 川,莫繼良,朱旻昊

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,成都610031)

介紹了微動(dòng)疲勞的概念和實(shí)驗(yàn)裝置,詳細(xì)綜述了微動(dòng)疲勞的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,全面地分析討論了微動(dòng)疲勞的影響因素(接觸壓力、滑移幅值、實(shí)驗(yàn)頻率、摩擦力、環(huán)境、材料性質(zhì))、損傷機(jī)理、壽命評(píng)估方法和防護(hù)措施,并提出了今后研究的展望。關(guān)鍵詞:摩擦磨損;微動(dòng)摩擦學(xué);微動(dòng)疲勞

微動(dòng)疲勞(Fretting Fatigue,FF)現(xiàn)象廣泛存在于機(jī)械、交通、電力、航空航天,乃至生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域[1-4],它會(huì)加速零部件的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展,從而明顯降低服役壽命,甚至造成災(zāi)難性事故,因此微動(dòng)損傷被稱為工業(yè)中的“癌癥”[3]。研究表明,微動(dòng)能使構(gòu)件的疲勞壽命降低20%～80%,甚至更低[4]。將微動(dòng)和疲勞聯(lián)系起來的報(bào)道最早始于1911年[5],Tom lin2 son[6]等于1927年開始系統(tǒng)性研究,1941年Warlow2 Davies[7]的研究表明,微動(dòng)引起材料疲勞強(qiáng)度下降,由此微動(dòng)疲勞開始作為一個(gè)專題被提出來。自20世紀(jì)70年代以來,微動(dòng)疲勞越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[2]。目前關(guān)于微動(dòng)疲勞的研究雖不少,但均未取得重大突破,主要集中在:微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理、裂紋的萌生與擴(kuò)展、對(duì)疲勞壽命的有效控制等方面。對(duì)微動(dòng)疲勞損傷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也尚未統(tǒng)一[2,8]。因此,系統(tǒng)地研究微動(dòng)疲勞的損傷行為及防護(hù)措施,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 微動(dòng)疲勞的特征及分類

微動(dòng)疲勞是指接觸體由于承受外界交變疲勞應(yīng)力(如拉2壓,旋轉(zhuǎn)2彎曲,扭轉(zhuǎn),平面彎曲等)產(chǎn)生不同的變形引起接觸界面發(fā)生微幅相對(duì)運(yùn)動(dòng)(通常在微米量級(jí)),促使疲勞裂紋早期萌生和加速擴(kuò)展,從而導(dǎo)致構(gòu)件過早失效破壞的現(xiàn)象,它是一種伴隨微動(dòng)磨損的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命問題[1,3,4]。與常規(guī)疲勞相比,微動(dòng)疲勞具有以下特征:①接觸區(qū)周邊承受非線性分布載荷,局部應(yīng)力高度集中;②疲勞裂紋首先在接觸區(qū)近表面產(chǎn)生;③局部表面損傷嚴(yán)重,它對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展又有推動(dòng)作用。

微動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜,根據(jù)接觸方式的不同可簡(jiǎn)單地分為點(diǎn)、線和面接觸;按受載類型的不同,又可將其歸納為:①拉壓微動(dòng)疲勞(見圖1(a));②彎曲微動(dòng)疲勞(見圖1(b));③扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞(見圖1(c))。

目前,國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在拉壓微動(dòng)疲勞,而后兩種研究相對(duì)較少。綜合兩種以上或結(jié)合其他運(yùn)動(dòng)方式(如沖擊)的復(fù)合式微動(dòng)疲勞在工程領(lǐng)域十分常見,但由于問題的復(fù)雜性和研究設(shè)備的單一性等原因,為此展開的實(shí)驗(yàn)研究較少。

2 微動(dòng)疲勞的實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 幾種微動(dòng)疲勞的基本模式示意圖(a)拉壓;(b)彎曲;(c)扭轉(zhuǎn)Fig.1 Schematic diagram of fretting fatigue modes (a)tension2comp ression;(b)bending;(c)torsion

國(guó)內(nèi)外研究微動(dòng)疲勞的實(shí)驗(yàn)裝置按照微動(dòng)墊的結(jié)構(gòu)不同主要可分為橋式微動(dòng)墊[2,9](見圖2(a))和圓柱式微動(dòng)墊[2,10](見圖2(b))等。前者為一種面接觸裝置,其優(yōu)點(diǎn)在于不管是彎曲還是拉應(yīng)力作用下微動(dòng)墊可通過應(yīng)力環(huán)或其他預(yù)緊裝置固定在標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣上,作用于試樣的循環(huán)應(yīng)力在微動(dòng)橋和試樣間引起微滑從而實(shí)現(xiàn)微動(dòng)疲勞試驗(yàn)。在20世紀(jì)90年代以前該裝置被廣泛采用,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但存在一些不足,首先,微動(dòng)橋不是完全的剛體,變形造成與試樣間的接觸條件不好描述;其次,即使是在完全對(duì)稱情況下,兩微動(dòng)橋腳也不可能完全一致地協(xié)調(diào)滑動(dòng),導(dǎo)致滑移區(qū)難以確定。后者為一種線接觸的實(shí)驗(yàn)裝置,20世紀(jì)60年代末Nishioka和Hirakaw a[11]等人開始使用,這樣微動(dòng)墊的調(diào)整不再顯得重要,在理論上應(yīng)力可以用傳統(tǒng)的分析方法來獲得,且應(yīng)力分析中的正應(yīng)力P,切向應(yīng)力Q和試樣的遠(yuǎn)場(chǎng)作用力等參數(shù)均可較容易地測(cè)量和控制。因此該裝置被眾多研究者所接受,并成為現(xiàn)在最常用的裝置。

圖2 微動(dòng)疲勞常用實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(a)橋式微動(dòng)墊;(b)圓柱式微動(dòng)墊Fig.2 Geometry of fretting fatigue experiments (a)bridge2type pad;(b)cylindrical pad

此外,很多學(xué)者利用更加貼近零部件實(shí)際工況的裝置開展研究,如燕尾榫聯(lián)接[2]、電纜線[3]、旋轉(zhuǎn)體緊配合面[12]等的微動(dòng)疲勞。

3 微動(dòng)疲勞行為及壽命影響因素

影響疲勞過程的因素很多,包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境及人為因素等。據(jù)Dobromirski[8]報(bào)道,有高達(dá)50余種因素影響微動(dòng)疲勞過程。許多學(xué)者對(duì)微動(dòng)疲勞的影響因素進(jìn)行了不同的分類,如Bill等[13]將微動(dòng)疲勞過程的影響因素分成接觸條件,環(huán)境條件和材料特性及行為三個(gè)范疇,Waterhouse[14]將其概括為力學(xué)參數(shù),物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。

然而,近年來的研究[2,4,15,16]表明,應(yīng)該著重注意以下幾種主要因素。

3.1 接觸壓力

接觸壓力(法向載荷P)可通過應(yīng)力環(huán)法,液壓伺服法,重力法施加。它對(duì)磨損量和裂紋的萌生擴(kuò)展起重要作用,它的變化會(huì)導(dǎo)致接觸面間摩擦系數(shù)和應(yīng)力集中的不同,從而影響微動(dòng)疲勞強(qiáng)度。早期研究認(rèn)為[17,18],疲勞壽命隨P的增大而下降。之后的研究[9,15,19]更準(zhǔn)確地描述了P的影響,如Nakaza2 wa[9]等指出,在較低P下微動(dòng)疲勞壽命幾乎不受影響,當(dāng)P達(dá)到一定值后疲勞壽命急劇下降,根據(jù)微動(dòng)圖理論這是微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域發(fā)生改變的原因[3,20]。Adibnazari和Hoeppner[19]發(fā)現(xiàn)對(duì)疲勞壽命影響的P存在一臨界值(它隨交變疲勞應(yīng)力增大而減小),在較高P時(shí)對(duì)壽命影響不大,并指出這可能是由于當(dāng)P超過臨界值時(shí),滑移幅值達(dá)到極限且接觸狀況發(fā)生改變。

3.2 滑移幅值

相對(duì)滑移幅(滑移幅δ)指兩接觸體發(fā)生微動(dòng)時(shí),局部接觸表面間的切向位移幅。Vingsbo等[16]研究表明,δ對(duì)微動(dòng)疲勞壽命存在影響,即當(dāng)δ處于一定范圍內(nèi)(典型為5～50μm之間[14,16])時(shí)微動(dòng)疲勞壽命縮短,超出此范圍后疲勞壽命明顯上升。Jin和M all[21]的研究也得到了類似結(jié)論,并表明疲勞壽命和δ的這種關(guān)系與P無關(guān)。這可能是由于疲勞裂紋在達(dá)到最小臨界長(zhǎng)度之前已被磨損掉,也有人[14]認(rèn)為磨屑充當(dāng)了固體潤(rùn)滑層從而導(dǎo)致應(yīng)力減小所致。周仲榮等[3,20]的二類微動(dòng)圖理論的建立,揭示了微動(dòng)疲勞壽命存在凹區(qū)的根本原因是接觸界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)處于微動(dòng)混合區(qū)。綜上所述,δ對(duì)材料微動(dòng)疲勞強(qiáng)度的影響與P相似,具有“尺寸效應(yīng)”,即當(dāng)δ處于臨界區(qū)域(即混合區(qū))時(shí)疲勞壽命最短,而增大或減小滑移幅,避開微動(dòng)混合區(qū)都可以使疲勞壽命提高。

3.3 實(shí)驗(yàn)頻率

研究表明:較低頻率(f)對(duì)疲勞壽命影響不大,但f達(dá)到一定值時(shí)疲勞壽命明顯下降。這主要是由于低頻延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,進(jìn)而化學(xué)作用機(jī)制增強(qiáng),被氧化的磨屑起了潤(rùn)滑作用[16]。Soderberg和Bryggman[22]分析認(rèn)為,f的上升會(huì)引起表面溫度和應(yīng)變率升高,從而加速微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕。Iyer和Mall[15]也認(rèn)同這種觀點(diǎn),通過對(duì)鈦合金的測(cè)試發(fā)現(xiàn),f從1Hz增加到200Hz,疲勞壽命卻逐步下降,這種現(xiàn)象在低應(yīng)力階段更為明顯。

3.4 摩擦力

接觸表面間摩擦力所引起的切向應(yīng)力是裂紋萌生和擴(kuò)展的重要原因。Lykins[23]等指出疲勞裂紋的位置和擴(kuò)展方向與切向應(yīng)力有關(guān),最大切應(yīng)力支配著疲勞裂紋的萌生;Endo和Goto[18]等人也得出了類似的結(jié)論。Vingsbo和Soderberg[16]等研究了切向力對(duì)微動(dòng)疲勞行為的影響,表明切向力大小與相對(duì)位移有關(guān)。在微動(dòng)疲勞過程中切向摩擦力的檢測(cè)一直是難點(diǎn),如果能準(zhǔn)確測(cè)量接觸界面的相對(duì)位移幅和摩擦力,則可建立微動(dòng)疲勞條件下的二類微動(dòng)圖(運(yùn)行工況微動(dòng)圖和材料響應(yīng)微動(dòng)圖)。

3.5 微動(dòng)環(huán)境

環(huán)境的影響主要包括溫度、濕度、氣分、介質(zhì)等。早期的研究結(jié)果指出,鋼在空氣和真空中的微動(dòng)疲勞強(qiáng)度取決于損傷程度,而不是環(huán)境的影響[14]。但后來該說法被否定,例如Poon[24]等研究表明,真空中微動(dòng)疲勞壽命是大氣環(huán)境中的10～20倍;Waterhouse[1]等發(fā)現(xiàn)718鉻鎳鐵合金的微動(dòng)疲勞強(qiáng)度從室溫的120M Pa上升到540℃時(shí)的250M Pa;Zhou[3]等人研究表明潤(rùn)滑作用明顯改善了接觸區(qū)磨損,減緩了疲勞裂紋產(chǎn)生,提高了抗微動(dòng)疲勞性能,還較系統(tǒng)地研究了其他不同因素對(duì)疲勞壽命的影響,并引入微動(dòng)圖理論來描述微動(dòng)損傷。

3.6 接觸區(qū)材料

由于材料本身性能的差異,微動(dòng)運(yùn)行和損傷行為不盡相同。且微動(dòng)疲勞常發(fā)生在接觸表面,材料的表面狀態(tài)如應(yīng)力狀態(tài)、表面粗糙度等直接影響微動(dòng)疲勞特性[4]。

綜上所述,影響微動(dòng)疲勞壽命的因素多且彼此又可能相互關(guān)聯(lián)(時(shí)變性、相干性)。許多因素又常受到某一或幾個(gè)因素的影響。例如,當(dāng)調(diào)整接觸壓力時(shí),接觸應(yīng)力幅、表面剪應(yīng)力、滑移幅等也隨之改變[15]。并且對(duì)若干個(gè)影響微動(dòng)疲勞的參數(shù)研究也較難完整地描述微動(dòng)疲勞行為。因此,微動(dòng)疲勞的研究十分困難、復(fù)雜。目前雖已取得一定進(jìn)展,但主要集中在簡(jiǎn)單的點(diǎn)或線接觸條件下,而研究復(fù)雜接觸條件和復(fù)雜應(yīng)力2應(yīng)變場(chǎng)內(nèi)的微動(dòng)疲勞行為及壽命的影響因素較少。

4 微動(dòng)疲勞的損傷機(jī)理研究

在微動(dòng)損傷機(jī)理方面,各國(guó)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作[1-3,8]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為微動(dòng)疲勞破壞經(jīng)歷四個(gè)階段,即:(1)裂紋萌生;(2)裂紋早期擴(kuò)展;(3)裂紋后期擴(kuò)展;(4)構(gòu)件失穩(wěn)斷裂。其壽命主要取決于前兩階段,而微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理的研究始終圍繞著裂紋的萌生和早期擴(kuò)展行為。此外,許多的研究[1,4,14]表明,在微動(dòng)作用下某些表面劃痕或缺陷很可能轉(zhuǎn)變?yōu)槠诹鸭y萌生及擴(kuò)展點(diǎn)。當(dāng)疲勞裂紋萌生后,微動(dòng)作用對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響較小,換言之,微動(dòng)對(duì)疲勞裂紋萌生點(diǎn)的位置及形成有較大影響,而對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展影響不大。

微動(dòng)疲勞的機(jī)理研究始于1927年,Tom linson[6]首次提出了材料分子相互剝離的“分子理論”,該理論由于難以解釋微動(dòng)損傷的現(xiàn)象已被否定;Poon和Ho2 eppner[24]等人認(rèn)為在大氣環(huán)境下,由于氧和水蒸氣的存在,在機(jī)械作用下新鮮金屬表面暴露,形成氧化膜,然后在機(jī)械作用下氧化膜破裂而形成磨屑并排出,進(jìn)一步發(fā)展了Uhilg等人提出的微動(dòng)疲勞是機(jī)械和化學(xué)聯(lián)合作用的結(jié)果,同時(shí)指出磨屑堆積后剝離形成蝕坑,微動(dòng)疲勞裂紋可在蝕坑內(nèi)形核,隨著蝕坑進(jìn)一步增大至某臨界值后裂紋萌生并擴(kuò)展。此后,一些模型相繼提出,Collins[25]考慮到實(shí)際表面在細(xì)觀上的粗糙不平,相互接觸時(shí),只有“凸峰”即微凸體發(fā)生接觸,并使其根部產(chǎn)生的交變壓力將導(dǎo)致微裂紋形成,從而提出了微凸體接觸裂紋萌生機(jī)制;Feng等[26]對(duì)小蝕坑演變?yōu)榇笊羁拥陌l(fā)展過程作了解釋;Halliday和Hirst[27]則認(rèn)為蝕坑的形成是由于微動(dòng)過程中較高的集中應(yīng)力作用,在接觸點(diǎn)形成微焊并在疲勞應(yīng)力作用下剝離;Nishioka等[11]認(rèn)為微動(dòng)疲勞裂紋萌生于損傷區(qū)局部表面層循環(huán)應(yīng)力最大的部位;Gaul和Du2 quette[28]將Suh于70年代提出的剝層理論運(yùn)用于微動(dòng)疲勞裂紋形成機(jī)制,認(rèn)為剝層磨損過程中某些裂紋擴(kuò)展至材料內(nèi)部成為疲勞裂紋;Waterhouse[14]也認(rèn)為剝層是微動(dòng)疲勞裂紋萌生的一種機(jī)制。

值得一提的是,Zhou和Vincent[3]提出過應(yīng)變2應(yīng)力機(jī)制,認(rèn)為微動(dòng)表面材料的損傷是由于反復(fù)交變應(yīng)力作用下材料表層發(fā)生“過應(yīng)變”,而微裂紋的萌生由“過應(yīng)變”的作用引起;并運(yùn)用二類微動(dòng)圖理論,揭示了微動(dòng)運(yùn)行機(jī)制和材料損傷規(guī)律,對(duì)微動(dòng)疲勞的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。近年來,作者所在課題組在不同微動(dòng)磨損模式下的研究表明[29],裂紋萌生與接觸區(qū)形成的微動(dòng)白層有重要關(guān)系,而裂紋的早期擴(kuò)展與局部磨損存在競(jìng)爭(zhēng),當(dāng)局部磨損較大時(shí),裂紋隨著材料的去除而消失,而在微動(dòng)疲勞條件下,接觸界面多數(shù)情況下處于部分滑移區(qū)和混合區(qū),裂紋的早期擴(kuò)展就不可避免。

5 微動(dòng)疲勞的失效評(píng)估

5.1 名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)

評(píng)估微動(dòng)對(duì)疲勞和研究不同變量對(duì)疲勞的影響時(shí)最常用的方法是測(cè)定其S2N曲線[14]。名義應(yīng)力法的基本思路是:從材料的微動(dòng)疲勞S2N曲線出發(fā),再考慮各種影響系數(shù),得出材料或零部件的微動(dòng)疲勞S2N曲線,并根據(jù)S2N曲線預(yù)測(cè)微動(dòng)疲勞壽命。

5.2 經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測(cè)

經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測(cè)微動(dòng)疲勞強(qiáng)度和壽命始于20世紀(jì)70年代。許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究并得出了不同的判定公式。Nishioka和Hirakawa[11]通過對(duì)柱/平面接觸微動(dòng)疲勞測(cè)試,描述了疲勞裂紋的萌生,得出微動(dòng)疲勞強(qiáng)度定量公式,它把握了摩擦系數(shù)、接觸壓力、滑移幅值等影響因素,但其局限性在于忽略了如剪切載荷、頻率等因素的變化。實(shí)驗(yàn)表明,該式與一些常規(guī)疲勞材料所表現(xiàn)出的微動(dòng)疲勞現(xiàn)象不太相符。Sato和Fuji[10]等在Tresca臨界值的基礎(chǔ)上,通過對(duì)彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)得出微動(dòng)疲勞下的應(yīng)力幅值公式,所得計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較吻合。Ruiz[30]等提出兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(k1,k2)來描述微動(dòng)損傷,后來又提出可用微動(dòng)疲勞損傷因子(Fretting Fatigue Damage Parameter, FFDP)來評(píng)價(jià)損傷程度等。Lykins和M all[31]等系統(tǒng)地將微動(dòng)疲勞裂紋萌生參數(shù)分為三類:基于應(yīng)變萌生參數(shù)、臨界面萌生參數(shù)和微動(dòng)疲勞特有參數(shù),并對(duì)幾種疲勞參數(shù)(SW T,F2S,k1k2等)進(jìn)行了驗(yàn)證,指出接觸面最大應(yīng)變幅是評(píng)價(jià)微動(dòng)疲勞裂紋萌生的重要因素。并用臨界面剪切應(yīng)變幅預(yù)測(cè)裂紋萌生的循環(huán)周期和萌生位置,得到了在不同應(yīng)力比下一些壽命預(yù)測(cè)公式的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.3 基于斷裂力學(xué)法預(yù)測(cè)

微動(dòng)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展尚未、也很難有明確的劃分標(biāo)準(zhǔn),它們之間如何演變,哪個(gè)階段對(duì)疲勞總壽命起主導(dǎo)作用等問題目前還存在爭(zhēng)議[32]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,由于微動(dòng)接觸區(qū)應(yīng)力集中的作用,裂紋萌生和失效斷裂只占疲勞總壽命的一小部分,而裂紋的擴(kuò)展是一個(gè)十分緩慢且相對(duì)漫長(zhǎng)的過程。因此,采用斷裂力學(xué)方法計(jì)算微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命能近似表征微動(dòng)疲勞總壽命[33]。

Edw ards[1]首先將斷裂力學(xué)方法應(yīng)用于試件的微動(dòng)疲勞壽命估算,認(rèn)為疲勞裂紋首先從試件與微動(dòng)墊接觸區(qū)邊緣萌生。Rooke和Jones[32]根據(jù)微動(dòng)區(qū)內(nèi)的多軸應(yīng)力對(duì)微動(dòng)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算,在考慮法向和切向載荷作用的情況下分別給出了張開型(KI)和滑移型(KII)兩個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解結(jié)果。Hills與Nowell等[35]利用斷裂力學(xué)對(duì)微動(dòng)疲勞作了深入分析,豐富和發(fā)展了M indlin理論。Gian2 nakoupoulos等[36]用斷裂力學(xué)的方法提出了物理疲勞短裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅門檻值概念。Hatto ri等[37]采用奇異應(yīng)力場(chǎng)和斷裂力學(xué)方法預(yù)測(cè)微動(dòng)疲勞壽命,認(rèn)為微動(dòng)疲勞壽命可以用應(yīng)力強(qiáng)度因子幅來估算。目前,采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行微動(dòng)疲勞壽命的預(yù)測(cè)已取得了一定的進(jìn)展,均有一定的準(zhǔn)確性和可參考性。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中,如微動(dòng)疲勞裂紋在早期階段形成及表面斜角對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響、如何獲得較準(zhǔn)確的初始擴(kuò)展裂紋尺寸等還存在問題。

近年來,越來越多的學(xué)者運(yùn)用有限元分析手段建立不同的計(jì)算模型,對(duì)微動(dòng)疲勞接觸區(qū)進(jìn)行三維彈塑性有限元分析,研究不同參數(shù)對(duì)微動(dòng)疲勞行為及壽命的影響,模擬微動(dòng)裂紋萌生、擴(kuò)展行為,取得了較滿意的成果。

6 防護(hù)或減緩微動(dòng)疲勞的措施

基于微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理的一些基本認(rèn)識(shí),許多研究者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),提出了不同的減緩措施[3,14,38-40],總結(jié)起來可歸納為幾類。

6.1 應(yīng)用表面工程技術(shù)

表面工程抗微動(dòng)疲勞技術(shù)的研究從20世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來,且不斷地有新技術(shù)得到成功應(yīng)用。目前對(duì)提高抗疲勞性能較有效的技術(shù)主要有:表面機(jī)械強(qiáng)化[38,39]、離子注入[41]、離子束輔助沉積硬膜、熱噴涂[38]、固體潤(rùn)滑涂層等。噴丸處理已成為鈦合金航空部件抗微動(dòng)疲勞表面處理的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理方法。若將噴丸與其他表面處理方法相結(jié)合可能又會(huì)得到更佳的復(fù)合效果。如鈦合金在離子鍍、等離子噴涂等處理前進(jìn)行噴丸強(qiáng)化,抗高溫微動(dòng)疲勞性能有明顯提高[39]。King[44]等指出激光噴丸強(qiáng)化抗微動(dòng)疲勞性能明顯優(yōu)于常規(guī)噴丸處理。此外,文獻(xiàn)[40],[45]等總結(jié)了一些典型抗微動(dòng)損傷的表面技術(shù),對(duì)抗微動(dòng)疲勞的工程應(yīng)用也具有一定的指導(dǎo)意義。

6.2 材料的合理選用與匹配

根據(jù)零部件的工作環(huán)境合理選擇與匹配適當(dāng)?shù)慕佑|副材料對(duì)減緩微動(dòng)損傷有重要作用。由于黏著和表面疲勞在微動(dòng)疲勞中起主導(dǎo)作用,因而材料副的選擇須著重考慮其抗黏著和抗表面疲勞性能。從目前的發(fā)展趨勢(shì)看,在實(shí)際工程中有微動(dòng)存在的場(chǎng)合將越來越多地使用非金屬材料和復(fù)合材料。因此,為提高構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度應(yīng)綜合考慮各方面因素合理選材。

6.3 優(yōu)化和改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是控制微動(dòng)疲勞損傷的有效手段之一。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單改變,有時(shí)可能收到意想不到的抗微動(dòng)疲勞效果。當(dāng)然任何給出的幾何結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都必須來源于適當(dāng)模擬實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)[46]。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減少交變應(yīng)力幅值、增加部件剛度、保證加工精度等方法,均可抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,不同程度地提高抗微動(dòng)疲勞性能。因此,若設(shè)計(jì)人員具備抗微動(dòng)損傷及其防護(hù)方面的知識(shí),許多疲勞問題即可在設(shè)計(jì)階段得到有效解決。當(dāng)然對(duì)于許多工程結(jié)構(gòu),由于多方面的原因,改變結(jié)構(gòu)可能使其他參數(shù)不能達(dá)標(biāo),這時(shí)采用表面防護(hù)是常用的方法。

6.4 使用潤(rùn)滑介質(zhì)

大量研究表明[3,29],使用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑(包括潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑)可以明顯地減輕微動(dòng)損傷,提高疲勞壽命。這是由于潤(rùn)滑介質(zhì)能有效減小摩擦因數(shù)、阻止氧的進(jìn)入,且液體潤(rùn)滑劑能帶走磨屑。但潤(rùn)滑劑的選用有一定的局限性,如緊固配合、高溫環(huán)境等特殊工況。

綜上所述,抗微動(dòng)疲勞研究已取得了一定的成果,但距實(shí)際工程應(yīng)用的要求仍存在較大的差距,還有一些尚待解決的問題,如對(duì)某些內(nèi)在機(jī)理的研究尚欠系統(tǒng)認(rèn)識(shí),且較多研究結(jié)果存在分散性和差異性等。

7 結(jié)束語

微動(dòng)疲勞問題的研究已開展近百年,但因其具有多學(xué)科性、多影響因子性、因子參量時(shí)變性和相干性等特點(diǎn),導(dǎo)致研究尚不系統(tǒng),更不完善,許多領(lǐng)域有待進(jìn)一步深入。因此有必要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中關(guān)鍵微動(dòng)疲勞部件的服役條件,從不同角度尋求改善微動(dòng)疲勞性能的有效手段。

(1)在機(jī)理研究方面,應(yīng)更加貼近工程實(shí)際,開展微動(dòng)疲勞多模式多因數(shù)耦合特性及其損傷機(jī)理的研究;有針對(duì)性地對(duì)交通、核電、人工植入器官等特殊服役工況下微動(dòng)疲勞的研究;對(duì)傳統(tǒng)的微動(dòng)疲勞金屬材料(目前以鋼、鈦合金、鋁合金最為常見)進(jìn)行深入系統(tǒng)研究的同時(shí),開展對(duì)復(fù)合材料、高分子材料、先進(jìn)陶瓷材料等的機(jī)理研究;開展不同運(yùn)行模式下(拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn))的微動(dòng)疲勞比較研究和復(fù)合微動(dòng)模式的研究;開展微動(dòng)疲勞損傷的模擬與仿真;建立新的測(cè)試方法、實(shí)驗(yàn)手段等。

(2)在微動(dòng)疲勞評(píng)估方面,開展斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)和可靠性方面的應(yīng)用研究,提高微動(dòng)疲勞行為與壽命預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性和普適性,以求準(zhǔn)確處理微動(dòng)失效故障,促進(jìn)微動(dòng)疲勞研究的深化與發(fā)展,并探索疲勞損傷的早期診斷與監(jiān)控等;尋求更加合理的微動(dòng)疲勞失效評(píng)估方法和模型,解決工程實(shí)際面臨的問題。

(3)在抗微動(dòng)疲勞方面,探求合理的抗疲勞設(shè)計(jì)方法,開發(fā)有效的抗微動(dòng)疲勞潤(rùn)滑介質(zhì),針對(duì)不同表面處理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究以揭示內(nèi)在規(guī)律外,從不同模式、不同工程應(yīng)用背景出發(fā)進(jìn)行研究,進(jìn)一步促進(jìn)表面工程技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

(4)在微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)方面,著重強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)手段與實(shí)驗(yàn)方法能真實(shí)地模擬與再現(xiàn)工程實(shí)踐中的微動(dòng)疲勞現(xiàn)象,只有這樣才能揭示微動(dòng)疲勞現(xiàn)象的本質(zhì),才能構(gòu)建合理的模型。

[1] WA TERHOUSE R B.Fretting fatigue[M].London:Applied Science Publishers Ltd,1981.

[2] NOWELL D,D IN ID,H ILLSD A.Recent developments in the understanding of fretting fatigue[J].Engineering Fracture Me2 chanics,2006,73:207-222.

[3] 周仲榮,V INCENT L.微動(dòng)磨損[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4] 何明鑒.機(jī)械構(gòu)件的微動(dòng)疲勞[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1994.

[5] EDEN EM,ROSEW N,CUNN INGHAM F L.The endurance of metals[J].Proc Instn Mech Eng,1911,81(4):839-974.

[6] TOML INSON G A.The rusting of steel surface in contact[J]. Proc R Soc,Ser A,1927,115:472-483.

[7] WARLOW2DAV IES E J.Fretting corrosion and fatigue strength: brief results of p reliminary experiments[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,1941,146:32-38.

[8] A TTIA M H,WA TERHOUSE RB.Symposium on standardiza2 tion of fretting fatigue tests methods and equipment[C].Phila2 delphia,USA:ASTM STP 1159,1992.1-7.

[9] NA KAZAWA K,MARU YAMA N,HANAWA T.Effect of contact p ressure on fretting fatigue of austenitic stainless steel [J].Tribology,2003,36:79-85.

[10] SA TO K,FUJIH,KODAMA S.Crack p ropagation behavior in fretting fatigue[J].Wear,1986,107:245-262.

[11] N ISH IOKA K,H IRAKAWA K.Fundamental investigationsof fretting fatigue[J].Bull JSM E,1969,52(12):397-414.

[12] ALFREDSSON B.Fretting fatigue of a shrink2fit pin subjected to rotating bending:experiments and simulations[J].Interna2 tional Journal of Fatigue,2009,31:1559-1570.

[13] BILL R C.Review of factors that influence fretting wear[A]. WARM INSTER.M aterials Evaluation Under Fretting Condi2 tions[C].USA:ASTM Publisher,1982.165-182.

[14] WA TERHOUSE R B.微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞[M].周仲榮,金雪巖,朱旻昊,等譯.成都:西南交通大學(xué)出版社,1999.

[15] IYER D,MALL S.Effectsof cyclic frequency and contact p res2 sure on fretting fatigue under two2level block loading[J].Fa2 tigue and Fracture of Engineering Materials and Structures,2000,23(4):335-346.

[16] V INGSBO O,SODERBERG S.On fretting maps[J].Wear, 1988,126(2):131-147.

[17] WA TERHOUSE R B.The effect of clamping stress distribution on the f retting fatigue of alpha brass and A l2M g2Zn alloy[J]. Trans Am Soc Lubr Engr,1968,11(1):1-5.

[18] ENDO K,GOTO H.Initiation and p ropagation of f retting fa2 tigue cracks[J].Wear,1976,38:311-324.

[19] AD IBNAZARIS,HOEPPNER D W.A fretting fatigue no rmal p ressure threshold concep t[J].Wear,1993,160(1):33-35.

[20] ZHOU Z R,NA KAZAWA K,ZHU M H,et al.Progress in f retting maps[J].Tribology International,2006,39(10): 1068-1073.

[21] JIN O,MALL S.Effects of independent pad disp lacement on f retting fatigue behavio r of Ti26A l24V[J].Wear,2002,253: 585-596.

[22] SODERBERG S,BRYGGMAN U,MCCULLOUGH T.Fre2 quency effects in fretting wear[J].Wear,1986,110:19-34.

[23] L YKINSCD,MALL SB,JA IN V C.A shear stress2based pa2 rameter for fretting fatigue crack initiation[J].Fatigue and Fracture of Engineering M aterials and Structures,2001,24(7): 461-473.

[24] POON CJ,HOEPPNER D W.The effect of environment on the mechanism of f retting fatigue[J].Wear,1979,52(1):175-191.

[25] COLL INSJ A,TOVEY F M,Fretting fatigue mechanism s and the effect of direction of fretting motion on fatigue strength[J]. J Mater,1972,7(4):460-464.

[26] FENG IM,UHL IG H H.Fretting corrosion of mild steel in air and in nitrogen[J].J Appl Mech,1954,21(4):395-400.

[27] HALL IDAY J S,H IRSTW.The fretting corrosion of mild steel [J].Proc R Soc London Ser,1956,236A:411-425.

[28] GAUL D J,DUQUETTE D J.The effect of fretting and envi2 ronment on fatigue crack initiation and early p ropagation in a quenched and tempered 4130 steel[J].Metallurgical Transac2 tion,1980,11(9):1555-1559.

[29] 周仲榮,朱旻昊.復(fù)合微動(dòng)磨損[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.

[30] RU IZ C,BODDINGTON P H B,CHEN K C.An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint[J].Exp Mech,1984, 24(3):208-217.

[31] LYKINSC D,MALL S,JA IN V K.An evaluation of parame2 ters for p redicting fretting fatigue crack initiation[J].Interna2 tional Journal of Fatigue,2000,22:703-716.

[32] NAVARRO C,MUΣOZ S,DOM 1NGUEZ J.On the use of multiaxial fatigue criteria for fretting fatigue life assessment[J]. International Journal of Fatigue,2008,30:32-44.

[33] CHAMBON L,JOURNET B.Modelling of fretting fatigue in a fracture2mechanics framework[J].Tribology International, 2006,39:1220-1226.

[34] ROOKE D P,JONESD A,Stress intensity factors in fretting fatigue[J].Journal of Strain Analysis,1979,14(4):1-7.

[35] NOWELL D,H ILLSD A.Crack initiation criteria in fretting fa2 tigue[J].Wear,1990,136(2):329-343.

[36] GIANNA KOUPOULOS A E,L INDLEY T C,SURE SH S.Ap2 p lication of fracture mechanics in fretting fatigue life assessment [A].HOEPPNER D W,CHANDRASE KARAN V,ELL IOT2 TC.Fretting Fatigue:Current Technology and Practices[C]. West Conshohohocken:ASTM STP,2000.80-89.

[37] HA TTORI T,NA KAMURA M,WA TANABE T.Simulation of fretting2fatigue life by using stress2singularity parameters and fracture mechanics[J].Tribology International,2003,36:87-97.

[38] WA TERHOUSE R B.The effect of surface treatment on the fa2 tigue and fretting2fatigue of metallic materials[A].WA TER2 HOUSE R B.Metal Treatment against Wear,Corrosion,Fret2 ting and Fatigue[C].Oxford:Pergamon Press,1987.31-40.

[39] FU Y Q,WEIJ,BA TCHELOR A W.Some considerations on m itigation of fretting damage by the app lication of surface2modi2 fication technologies[J].Journal of Materials Processing Tech2 nology,2000,99:231-245.

[40] 朱旻昊,羅唯力,周仲榮.表面工程技術(shù)抗微動(dòng)損傷的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程材料,2003,27(4):1-4.

[41] RAJASEKARAN B,GANESH SUNDARA RAMAN S,JOSH I S V,et al.Perfo rmance of p lasma sp rayed and detonation gun sp rayed Cu2Ni2In coatings on Ti26A l24V under p lain fatigue and fretting fatigue loading[J].Materials Science and Engineering, 2008,479:83-92.

[42] 何慶復(fù),劉偉,郭少中,等.列車車軸抗微動(dòng)損傷熱噴涂層組織結(jié)構(gòu)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2001,23(4):102-104.

[43] CHA KRAVARTY S,DYER J P,CONWAY J C,et al.Influ2 ence of surface treatments on fretting fatigue of Ti26242 at ele2 vated temperatures[A].HOEPPNER D W.Fretting Fatigue: Current Technology and Practices[C].West Conshohocken: ASTM STP 1367,2000.491-505.

[44] KING A,STEUWER A,WOODWARD C,et al.Effectsof fa2 tigue and fretting on residual stresses introduced by laser shock peening[J].Materials Science and Engineering A,2006,435-436:12-18.

[45] MA TTHEW IS A,HOLMBERG K,FRANKL IN S.A method2 ology for coating selection[A].DOWSON D.Thin Films in Tri2 bology[C].Amsterdam:Elsevier,1993.422-439.

[46] HOEPPNER D W,GA TES F L.Fretting fatigue consideration in engineering design[J].Wear,1981,70:155-164.

Study and Development of Fretting Fatigue

SHEN M ing2xue,PENG Jin2fang,ZHENG Jian2feng, SONG Chuan,MO Ji2liang,ZHU M in2hao
(Tribology Research Institute,Traction Power State Key Laboratory, Southw est Jiao tong University,Chengdu 610031,China)

The concep ts and experimental rigs of fretting fatigue w ere introduced.The domestic and overseas current situation of fretting fatigue studies was reviewed in detail.The influential factors (contact p ressure,slip amp litude,experiment frequency,friction fo rce,environment and material p roperties)of fretting fatigue as w ell as damage mechanism s,life assessment methods and p ro tective measures were analyzed and discussed comp rehensively.Some p rospects in relation to further resear2 ches were also p resented.

friction and wear;fretting;fretting fatigue

TH117.1

A

100124381(2010)1220086206

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(973項(xiàng)目) (2007CB714704);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50821063);牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究資助項(xiàng)目(2008TPL_Z10)

2009204207;

2010204209

沈明學(xué)(1982—),男,博士生,主要從事摩擦學(xué)及表面工程研究,E2mail:shenmingxue@126.com

朱旻昊,男,教授,博導(dǎo),聯(lián)系地址:四川省成都市二環(huán)路北一段111號(hào)西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所(610031),E2mail:zhuminhao@ sw jtu.cn