轉(zhuǎn)動微動磨損條件下7075鋁合金的局部疲勞行為研究

沈明學(xué)， 周 琰， 宋 川， 莫繼良， 蔡振兵， 朱旻昊

(1.浙江工業(yè)大學(xué)過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州310032;2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都610031)

微動損傷主要包括疲勞裂紋擴(kuò)展和表面磨損兩種破壞機(jī)制。微動引起的裂紋萌生與擴(kuò)展是導(dǎo)致構(gòu)件服役壽命降低的主要原因，其危害性往往超過材料磨損［1，2］。目前國內(nèi)外針對微動開展的絕大多數(shù)研究主要集中于切向模式［1］。而影響微動損傷的因素很多［2］，其中不同微動模式下導(dǎo)致的局部疲勞行為的差異尚不明確。轉(zhuǎn)動微動是指在交變載荷作用下，接觸副發(fā)生微幅轉(zhuǎn)動的相對運(yùn)動，它不同于扭動或滾動，其回轉(zhuǎn)軸平行于接觸表面且固定不動［3］。轉(zhuǎn)動微動現(xiàn)象廣泛存在于航空航天、軌道交通、人工植入器械等領(lǐng)域，如常見的螺栓與連接板、鉚接件、軸承與支座、軛軸等配合面處的損傷，很大程度上都是轉(zhuǎn)動微動所致。近年來，作者所在課題組針對轉(zhuǎn)動微動的表面損傷行為和磨損機(jī)制開展了大量研究，但國內(nèi)外對轉(zhuǎn)動微動導(dǎo)致的局部疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展行為的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。

7075鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、加工性能和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域，是工業(yè)生產(chǎn)中的主要結(jié)構(gòu)材料之一［4～6］。尤其在飛機(jī)制造業(yè)中占有非常重要的地位，其合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的比重較大［7］。本工作以7075鋁合金與GCr15鋼球配副為研究對象(選擇該對磨副主要是為了在7075鋁合金一方凸顯損傷現(xiàn)象)，重點(diǎn)考察了7075鋁合金在不同轉(zhuǎn)動角位移幅值條件下轉(zhuǎn)動微動磨損誘導(dǎo)的局部疲勞損傷行為，并比較了轉(zhuǎn)動與切向微動磨損的局部疲勞行為的異同。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本研究采用球/平面接觸方式，7075鋁合金為平面試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×20mm，硬度為HV50g60，σs≈502MPa，經(jīng)研磨拋光至表面粗糙度R a≈0.04μm;對偶件為φ40mm的GCr15鋼球(硬度為HV50g870，R a≈0.3μm)。

轉(zhuǎn)動微動磨損實(shí)驗(yàn)在文獻(xiàn)［3］所述裝置上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:轉(zhuǎn)動角速率ω=0.2°/s;轉(zhuǎn)動角位移幅值θ=0.25～2°，法向載荷Fn=50N;循環(huán)次數(shù)N=103～105次;空氣環(huán)境，溫度為(20±3)℃，相對濕度(50 ±5)%。實(shí)驗(yàn)后，用環(huán)氧樹脂鑲嵌試樣后打磨做剖面分析，并用光學(xué)顯微鏡(OM)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕的表面和剖面形貌;用 NanoMap-D雙模式輪廓儀測定磨痕輪廓等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微動運(yùn)行區(qū)域特性

大量的研究結(jié)果表明，微動在不同的運(yùn)行區(qū)域表現(xiàn)為明顯不同的失效形式，它是一個局部接觸疲勞和磨損競爭作用的結(jié)果［1］。作者所在課題組先前的研究結(jié)果表明［3］，轉(zhuǎn)動微動也可以根據(jù)微動圖理論將微動依次劃分為部分滑移區(qū)(PSR)、混合區(qū)(MFR)和滑移區(qū)(SR)。根據(jù)文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)果，表1示出了7075鋁合金在不同角位移幅值下的微動運(yùn)行區(qū)域。

表1 7075鋁合金轉(zhuǎn)動微動磨損運(yùn)行區(qū)域Table 1 Running regime of 7075 aluminum alloy under rotational fretting wear

2.1.1 部分滑移區(qū)

在部分滑移區(qū)，由于7075鋁合金的相對運(yùn)動主要受彈性變形協(xié)調(diào)，表面損傷輕微，磨斑呈邊緣微滑的環(huán)狀輕微磨損區(qū)和接觸中心無損傷的黏著區(qū)兩個部分，這與切向微動的 Mindlin模型［8］基本一致。圖1a所示，當(dāng)角位移幅值θ=0.375°和循環(huán)次數(shù)N =105時，磨痕表面形貌可見沿微動方向的兩側(cè)微滑區(qū)損傷明顯，主要表現(xiàn)為剝層和磨粒磨損，磨屑主要向垂直微動方向的兩側(cè)排出。由于塑性流動的不斷累積［9］和兩側(cè)微滑區(qū)的輕微磨損，三維形貌(見圖1b)上呈現(xiàn)明顯的中心隆起兩側(cè)低洼的“W”型。從圖2剖面觀察發(fā)現(xiàn)在微滑區(qū)與黏著區(qū)交界附近出現(xiàn)疲勞裂紋(剖面位置對應(yīng)圖1a中A-A')，裂紋源位于距離接觸中心約150μm左右的接觸區(qū)內(nèi)，且裂紋主要沿平行表面方向擴(kuò)展(見圖2b)，一旦這些裂紋彼此貫穿或與垂向裂紋交匯時便表現(xiàn)為以剝層現(xiàn)象導(dǎo)致材料失效的剝落，這與切向微動中部分滑移區(qū)裂紋在接觸邊緣萌生且擴(kuò)展方向與接觸表面呈一定角度的特征接觸表面明顯不同［1，10］。另一方面，又與切向微動的結(jié)論一致，即在較小角位移幅值時，即使在更高的循環(huán)次數(shù)下表面損傷依然輕微，剖面分析沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 部分滑移區(qū)磨痕的SEM表面形貌(a)及三維形貌(b)(θ=0.375°，N=105次)Fig.1 SEM morphology(a)and 3D-profile(b)ofwear scar in the partial slip regime(θ=0.375°，N=105)

圖2 部分滑移區(qū)的磨痕剖面形貌θ=0.375°，N=105次Fig.2 SEM observation of the wear scar cross-section in the partial slip regime underθ=0.375°and N=105

2.1.2 混合區(qū)

當(dāng)角位移幅值增加到θ=0.5°時，F(xiàn)t-θ曲線在200個循環(huán)周次前后迅速由平行四邊形轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€型(如圖3)，表明此時微動由完全滑移狀態(tài)向部分滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變。根據(jù)微動圖理論［11，12］，此時微動運(yùn)行于混合區(qū)。接觸中心“隆起”依然存在，其表層在反復(fù)的微動作用下氧化非常嚴(yán)重并伴有磨屑堆積(圖4)。圖4顯示大量的裂紋分布于接觸中心兩側(cè)。與切向微動不同，裂紋并非靠近接觸邊緣萌生［1，10］，實(shí)際的裂紋源離接觸中心的距離與部分滑移區(qū)接近。在混合區(qū)裂紋擴(kuò)展方向與表面約成30°角，與切向微動相似。除少量平行裂紋外大部分裂紋往基體內(nèi)部擴(kuò)展，這些裂紋一旦承受外部疲勞載荷作用很可能迅速擴(kuò)展并導(dǎo)致構(gòu)件失效。

圖3 7075鋁合金在混合區(qū)不同循環(huán)次數(shù)下的F t-θ曲線θ=0.5°(α1＞α＞2＞α3)Fig.3 F t-θcurves of 7075 aluminum alloy as a function of the number of the cycles in the mixed fretting regime underθ=0.5°(α1＞α2＞α3)(a)N=101;(b)N=103;(c)N=105

從圖3也可以得出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，圖中α1，α2，α3依次減小，這是由于接觸狀態(tài)的改變以及裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致接觸表面切向剛度降低引起的。在微動的后期，由于裂紋的擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)所施加的角位移幅值的一部分將用于裂紋開-閉行為的調(diào)節(jié)，從而使接觸界面的實(shí)際相對滑移量減少，磨損率進(jìn)一步降低。因此，在混合區(qū)材料的失效形式主要表現(xiàn)為裂紋的萌生和擴(kuò)展，并伴隨因疲勞磨損(剝層機(jī)制)所致的微滑區(qū)片狀顆粒剝落。

2.1.3 滑移區(qū)

當(dāng)微動運(yùn)行于滑移區(qū)時，在局部接觸疲勞和磨損的競爭過程中，疲勞效應(yīng)幾乎消失而微動磨損占支配地位。圖6所示為角位移幅值θ=2.0°時的磨痕表面形貌，從圖中可以發(fā)現(xiàn)磨痕表面布滿犁溝，表明此時磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。剖面分析結(jié)果顯示，僅經(jīng)歷N=104次微動循環(huán)磨痕已經(jīng)呈明顯的“U”型(如圖7a)，整個磨痕表面堆積著厚厚的磨屑(約15μm左右)，并沒有向基體內(nèi)擴(kuò)展的疲勞裂紋存在(如圖7b)。這是由于在滑移區(qū)較高的相對運(yùn)動下疲勞裂紋的萌生速率低于材料沿深度方向的磨損速率，導(dǎo)致疲勞裂紋來不及萌生。因此，磨損導(dǎo)致的接觸區(qū)材料被大量去除成為滑移區(qū)的主要失效形式。

圖6 滑移區(qū)的磨痕SEM表面形貌θ=2.0°，N=104次Fig.6 SEM surfacemorphology of wear scar in the slip regime underθ=2.0°and N=104

2.2 角位移幅值對裂紋長度的影響

上述的研究結(jié)果表明，裂紋的萌生與擴(kuò)展特性取決于微動的運(yùn)行區(qū)域。而大量的切向微動研究也表明，主裂紋的長度與微動的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如位移幅值、法向壓力和循環(huán)次數(shù)等直接相關(guān)［1］。本工作考慮了轉(zhuǎn)動角位移幅值(相當(dāng)于切向微動中的位移幅值)的影響，通過試樣剖面顯微觀測，得出了如圖8所示的不同角位移幅值下轉(zhuǎn)動微動疲勞裂紋的長度。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)動微動的裂紋萌生和擴(kuò)展主要位于混合區(qū)附近。微動進(jìn)入滑移區(qū)后，隨著角位移幅值的增加，由于材料磨損速率高于裂紋的萌生速率，因此接觸區(qū)并無明顯的裂紋存在。

3 結(jié)論

(1)7075鋁合金的轉(zhuǎn)動微動隨著角位移幅值的增加依次呈現(xiàn)部分滑移區(qū)、混合區(qū)和完全滑移區(qū)。疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展主要位于部分滑移區(qū)和混合區(qū)附近。不同于切向微動，裂紋源位于微滑區(qū)與黏著區(qū)交界附近，即距離接觸中心約150μm左右的接觸區(qū)內(nèi)。且在這兩個區(qū)域內(nèi)，由于塑性流動的不斷累積，磨痕中心形成隆起。

(2)在部分滑移區(qū)，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為也明顯不同于切向微動，裂紋平行于接觸表面擴(kuò)展，在接觸邊緣并沒有發(fā)現(xiàn)沿基體內(nèi)部擴(kuò)展的裂紋。

(3)在混合區(qū)，大量的疲勞裂紋在該區(qū)域內(nèi)萌生，許多裂紋向基體內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋的萌生位置與部分滑移區(qū)接近，材料的失效形式主要表現(xiàn)為裂紋的萌生和擴(kuò)展，并伴隨因疲勞磨損(剝層機(jī)制)所致的微滑區(qū)片狀顆粒剝落。

(4)在滑移區(qū)，微動磨損占支配地位，磨損加劇，磨痕輪廓呈“U”型，隨著角位移幅值的增加，由于材料磨損速率高于裂紋的萌生速率，接觸區(qū)并無明顯的裂紋存在，微動損傷主要表現(xiàn)為接觸區(qū)材料的快速去除。

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