接觸載荷對(duì)7075鋁合金扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)摩擦學(xué)行為的影響

沈明學(xué) ，楊 莎，周 琰，蔡振兵，朱旻昊

(1.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；2.浙江工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州 310032)

實(shí)際工況中的微動(dòng)現(xiàn)象十分普遍且復(fù)雜，往往是多種基本模式耦合作用的結(jié)果[1]。扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)作為一種扭動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)相耦合的復(fù)合模式，它是指在交變載荷下接觸副配合面間發(fā)生微幅扭轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2-3]。日常生活中常見(jiàn)的球閥、軸承(滾動(dòng)體與內(nèi)外圈間)、人體內(nèi)的杵臼關(guān)節(jié)(如髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等)、交通運(yùn)輸工具中的球窩式配合件(如汽車懸掛系統(tǒng)中的球窩接頭)等[3]，它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)受不同程度的動(dòng)態(tài)交變載荷，使接觸面間不可避免地發(fā)生扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)，從而導(dǎo)致構(gòu)件過(guò)早地失效，給生產(chǎn)和生活帶來(lái)了諸多困擾。

法向接觸載荷決定了微動(dòng)的應(yīng)力場(chǎng)分布、接觸區(qū)尺寸及切向剛度等的大小，對(duì)微動(dòng)有重要影響[4]。目前，對(duì)微動(dòng)的絕大部分研究結(jié)果源于單一的切向模式，如CRUZADO等[5]研究了接觸壓力對(duì)正交狀態(tài)下的鋼絲切向微動(dòng)磨損的影響，表明不同接觸載荷下磨損量隨時(shí)間(或循環(huán)次數(shù))均呈現(xiàn)兩階段，即跑合階段和穩(wěn)定階段。在跑合階段，磨損嚴(yán)重，不同載荷下的磨損率呈相同趨勢(shì)；在穩(wěn)定階段，較高載荷下材料表現(xiàn)出更高的磨損率。WATERHOUSE等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)磨損體積與法向正壓力間成線性關(guān)系，正壓力越大磨損越嚴(yán)重。MITCHELL和SHROTRIYA[7]研究了材料內(nèi)應(yīng)力和環(huán)境對(duì)磨損行為的影響。此外，在特殊環(huán)境(如高溫、介質(zhì)等)、特殊領(lǐng)域的微動(dòng)摩擦學(xué)研究也逐漸受到重視[8-11]。然而，針對(duì)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，作者所在課題組[1,12-14]系統(tǒng)研究了不同微動(dòng)模式下的材料運(yùn)行行為和損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)接觸載荷不僅能改變微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域，而且對(duì)材料的損傷行為和磨損特性也有重要影響。本文作者主要研究接觸載荷對(duì)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)運(yùn)行和損傷行為的影響，對(duì)揭示材料在扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)作用下的摩擦學(xué)規(guī)律及提高材料的抗微動(dòng)損傷性能和零部件的使用壽命具有重要意義。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用7075鋁合金平面試樣(10 mm×10 mm×20 mm)，其硬度為71 HV0.5N，表面粗糙度Ra=0.02μm；對(duì)偶件為直徑40 mm的GCr15鋼球(Ra=0.03 μm，870 HV50g)，選擇7075鋁合金與GCr15鋼球配副的目的在于讓微動(dòng)損傷在鋁合金上突顯，這樣有利于揭示復(fù)合微動(dòng)的損傷行為。

微動(dòng)試驗(yàn)在新型扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球/平面接觸方式[2-3]。扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)為：回轉(zhuǎn)角速度ω=0.2 (°)/s；角位移幅值θ為 0.25°～10°；法向載荷Fn為20 N、50 N、100 N；循環(huán)次數(shù)N=1 000。試驗(yàn)環(huán)境為大氣，溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度 RH=60%±10%。試驗(yàn)后，用光學(xué)顯微鏡(OM)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕形貌；用NanoMap-D雙模式輪廓儀測(cè)定磨痕輪廓和磨損體積；采用EDA X-7760/68ME型電子能譜儀( EDX)分析磨損表面主要元素成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ft—θ 曲線

與切向微動(dòng)相似，扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)也可以利用Ft—θ曲線對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為的分析[3]。圖1所示為7075鋁合金在傾斜角度為α=40°時(shí)不同角位移幅值和法向載荷下的Ft—θ曲線?？梢?jiàn)，當(dāng)θ=0.25°時(shí)，3種不同載荷下的Ft—θ曲線均呈扁窄的橢圓形，表明接觸界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由彈性變形協(xié)調(diào)為主，根據(jù)微動(dòng)圖理論[15-16]，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行于部分滑移區(qū)(Partial slip regime, PSR)；當(dāng)角位移幅值增加至θ=0.5°，在Fn=100 N時(shí)，F(xiàn)t—θ曲線仍始終保持橢圓形，而較小載荷下Ft—θ曲線由平行四邊形轉(zhuǎn)向橢圓形，表明前者微動(dòng)仍運(yùn)行于 PSR, 后者接觸界面由滑移狀態(tài)向部分滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變，微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)(Mixed fretting regime,MFR)；當(dāng)θ=1.0°時(shí)，在Fn為10 N和50 N兩種載荷下，F(xiàn)t—θ曲線始終保持平行四邊形；而當(dāng)Fn=100 N時(shí)，F(xiàn)t—θ曲線的變化與Fn=20 N、θ=0.5°時(shí)相同，說(shuō)明前者微動(dòng)已運(yùn)行于滑移區(qū)(Slip regime, SR)，而后者運(yùn)行于MFR；當(dāng)θ=2.0°時(shí)，曲線始終保持平行四邊形，說(shuō)明接觸界面始終處于完全滑移狀態(tài)，即微動(dòng)運(yùn)行于SR。以上結(jié)果表明：扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域法向接觸載荷和角位移幅值。

2.2 微動(dòng)運(yùn)行工況圖

根據(jù)以上分析可判別不同接觸載荷和角位移幅值下的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域，標(biāo)繪出扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的微動(dòng)運(yùn)行工況圖，如圖2所示，分別為7075鋁合金在傾斜角度為α=10°和α=40°時(shí)的微動(dòng)運(yùn)行工況圖。從圖2中可以看出，兩種傾斜角度下隨著法向載荷的增大，混合區(qū)均逐漸擴(kuò)大，同時(shí)SR和MFR分別向MFR和PSR轉(zhuǎn)移。另一方面，對(duì)比圖2(a)和(b)可發(fā)現(xiàn)，隨著傾斜角度的增加，混合區(qū)逐漸縮小。

2.3 Ft/Fn系數(shù)

圖1 α=40°時(shí)7075鋁合金在不同角位移幅值和法向載荷下的Ft—θ曲線Fig.1 Ft—θ curves of 7075 Al alloy under different angular displacement amplitudes and contact loads at α=40°: (a), (b), (c)θ=0.25°; (d), (e), (f)θ =0.5°; (g), (h), (i)θ =1.0°; (j), (k), (l)θ =2.0°

圖2 7075鋁合金在兩種不同傾斜角度下的微動(dòng)運(yùn)行工況圖Fig.2 Running condition fretting map (RCFM)of 7075 Al alloy under different contact loads: (a)α=10°; (b)α=40°

在扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)中得到的Ft/Fn系數(shù)相當(dāng)于切向微動(dòng)的摩擦系數(shù)。圖3所示為3種不同接觸載荷和角位移幅值下Ft/Fn系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化曲線。由圖3可見(jiàn)，在相同角位移幅值(或運(yùn)行區(qū)域)下，隨著接觸載荷的增加，F(xiàn)t/Fn系數(shù)依次降低。這可能是由于切向力的大小受實(shí)際接觸面積影響，而接觸載荷的增加快于接觸面積的增加，從而導(dǎo)致高接觸載荷下Ft/Fn值反而降低。另一方面，在相同的微動(dòng)區(qū)域內(nèi)，不同接觸載荷下的Ft/Fn系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加的變化趨勢(shì)相近。在PSR，由于彈性變形協(xié)調(diào)，F(xiàn)t/Fn系數(shù)始終保持較低值并很快進(jìn)入穩(wěn)定期。在 MFR， 由于塑性流動(dòng)的不斷累積和接觸狀態(tài)由部分滑移逐漸向完全滑移轉(zhuǎn)變，F(xiàn)t/Fn系數(shù)一直保持爬升狀態(tài)最后趨于穩(wěn)定。在 SR，F(xiàn)t/Fn系數(shù)可分為跑和—初步穩(wěn)定—爬升—穩(wěn)定階段。與前兩個(gè)區(qū)域不同，在SR，小載荷下微動(dòng)反而容易進(jìn)入穩(wěn)定階段，這可能是由于在小載荷下磨屑的產(chǎn)生和排出更早地達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的原因。

圖3 α =40°時(shí)不同載荷和角位移幅值下的Ft/Fn系數(shù)曲線Fig.3 Variation of friction coefficient of 7075 Al alloy under varied angular displacement amplitudes and different contact loads at α=40°

2.4 磨痕形貌分析

圖4所示為α=40°、θ=0.25°時(shí)3種不同接觸載荷下的磨痕形貌。由圖4可見(jiàn)，磨痕中心黏著邊緣輕微損傷，整個(gè)磨痕呈不對(duì)稱的月牙形。隨著載荷的增大，磨痕區(qū)域擴(kuò)大損傷區(qū)相對(duì)減小且磨痕的不對(duì)稱性更加明顯。

圖4 α=40°、θ=0.25°時(shí)不同接觸載荷下的磨痕光學(xué)顯微形貌照片F(xiàn)ig.4 Optical micrographs of wear scar under different contact loads at α=40° and θ=0.25°: (a)Fn=20 N; (b)Fn=50 N;(c)Fn=100 N

圖5所示為α=40°和θ=0.5°時(shí)兩種不同載荷下的磨痕形貌。此時(shí)，前者微動(dòng)已運(yùn)行于混合區(qū)，而后者運(yùn)行于部分滑移區(qū)，表明接觸載荷明顯改變了微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域。由圖5可得，F(xiàn)n=20 N時(shí)，微動(dòng)損傷的軌跡近似直線，磨痕形貌類似于轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)形貌[14]，說(shuō)明此時(shí)微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)分量控制，且隨著塑性流動(dòng)的不斷累積磨痕中心呈明顯的隆起(見(jiàn)圖5(a))；而后者是明顯受扭動(dòng)分量和轉(zhuǎn)動(dòng)分量雙重支配的典型復(fù)合微動(dòng)損傷形貌[2-3]，從磨痕輪廓可以看出損傷較前者輕微。表明此時(shí)接觸載荷越小，扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)中摩擦副越容易受轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)分量控制，這個(gè)結(jié)論也可以在圖6中得到證實(shí)。在圖6中前者已運(yùn)行于滑移區(qū)，微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)分量控制；EDX測(cè)試發(fā)現(xiàn)，磨痕心部氧化已十分嚴(yán)重，大量的氧化磨屑從接觸區(qū)排出；而后者磨痕中心仍處于黏著狀態(tài)，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加黏著區(qū)將逐漸減小并最終消失，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)并主要由扭動(dòng)微動(dòng)分量控制[3,13]。圖7所示為α=40°和θ=2.0°時(shí)兩種不同接觸載荷下的SEM磨痕形貌，此時(shí)微動(dòng)均運(yùn)行于滑移區(qū)。從圖7中可以看出，當(dāng)Fn=20 N時(shí)，磨痕表面有明顯的犁溝，表明小載荷下磨損機(jī)制以磨粒磨損為主；而在Fn=100 N時(shí)，可以看到壓實(shí)的氧化物堆積于磨痕表面，磨痕上出現(xiàn)明顯的片狀剝落，表明大載荷下磨屑不易排出接觸區(qū)，磨損機(jī)制以伴隨剝層的疲勞磨損為主。此時(shí)，不同載荷下的磨痕輪廓均呈現(xiàn)深坑且隨著載荷的增加磨損加劇(見(jiàn)圖8)。

圖5 α=40°、θ=0.5°時(shí)不同接觸載荷下的磨痕光學(xué)顯微形貌照片及相應(yīng)的截面形狀Fig.5 Optical micrographs and corresponding 2D profiles of wear scar under different contact loads at α=40° and θ =0.5°: (a)Fn=20 N; (b)Fn=100 N

圖6 α=10°、θ=2.0°時(shí)不同接觸載荷下的磨痕光學(xué)顯微形貌照片及相應(yīng)的截面形狀Fig.6 Optical micrographs and corresponding 2D profiles of wear scar under different contact loads at α=10° and θ=2.0°: (a)Fn=20 N; (b)Fn=100 N

圖7 α=40°、θ=2.0°時(shí)不同接觸載荷下的SEM磨痕形貌Fig.7 SEM micrographs of wear scar under different contact loads at α=40° and θ =2.0°: (a)Fn=20 N; (b)Fn=100 N

圖8 α=40°、θ=2.0°時(shí)滑移區(qū)不同接觸載荷下的磨痕截面輪廓Fig.8 2D profiles of wear scars under different contact loads in SR at α=40° and θ =2.0°

2.4 磨損量分析

在較小角位移幅值下，由于接觸區(qū)磨屑排出困難及接觸區(qū)材料塑性流動(dòng)等原因造成材料負(fù)磨損，因此本文作者僅考慮滑移區(qū)磨痕的磨損量。圖9所示為不同接觸載荷下的磨損量變化關(guān)系。從圖9可以看出，由于在α=10°、θ=0.5°時(shí)較高載荷下微動(dòng)接近或處于滑移區(qū)，所以隨著接觸載荷的增大磨損量依次降低。而在其它參數(shù)下，隨著接觸載荷的增大磨損量快速增加，表明接觸載荷越大材料被去除的能力越強(qiáng)。值得注意的，接觸載荷與磨損量并不成線性關(guān)系，這與WATERHOUSE等[5]在切向微動(dòng)中接觸載荷與磨損量成線性關(guān)系的推論不吻合。這是由于扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)中材料的磨損是扭動(dòng)微動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)耦合作用的結(jié)果，試驗(yàn)參數(shù)的改變會(huì)直接影響微動(dòng)中扭動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)分量的支配程度發(fā)生改變。也進(jìn)一步說(shuō)明了扭動(dòng)分量或轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制程度的不同，材料的去除能力明顯不同。

圖9 不同接觸載荷下的磨損量演變Fig.9 Wear volume evolution under different contact loads

3 結(jié)論

1)在3種不同接觸載荷下，隨著角位移幅值的增加，7075鋁合金的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)Ft—θ曲線均依次從扁窄的橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榇蜷_(kāi)的橢圓形和平心四邊形。據(jù)此，可將扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域判定為部分滑移區(qū)、混合區(qū)和滑移區(qū)，接觸載荷明顯地改變了微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域；隨著接觸載荷的增加，微動(dòng)推遲進(jìn)入混合區(qū)或滑移區(qū)，且混合區(qū)逐漸擴(kuò)大。

2)Ft/Fn系數(shù)在不同的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。在相同的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，不同接觸載荷下的Ft/Fn系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加的變化趨勢(shì)相近；Ft/Fn系數(shù)隨著法向接觸載荷的增加逐漸降低。

3)接觸載荷和角位移幅值強(qiáng)烈地影響扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行行為。接觸載荷越大或角位移幅值越小，微動(dòng)向部分滑移區(qū)或混合區(qū)轉(zhuǎn)移，微動(dòng)磨損更趨向于受扭動(dòng)微動(dòng)分量控制；此外，接觸載荷越大材料表面損傷易受到局部接觸疲勞支配，伴隨著明顯的疲勞剝落；在滑移區(qū)，微動(dòng)受轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)分量支配的程度提高，隨著法向接觸載荷的增加磨損量非線性快速增加?？傊?，扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

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