微動疲勞研究進展

沈明學,彭金方,鄭健峰,宋 川,莫繼良,朱旻昊

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所,成都610031)

微動疲勞研究進展

沈明學,彭金方,鄭健峰,宋 川,莫繼良,朱旻昊

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所,成都610031)

介紹了微動疲勞的概念和實驗裝置,詳細綜述了微動疲勞的國內外研究現狀,全面地分析討論了微動疲勞的影響因素(接觸壓力、滑移幅值、實驗頻率、摩擦力、環境、材料性質)、損傷機理、壽命評估方法和防護措施,并提出了今后研究的展望。關鍵詞:摩擦磨損;微動摩擦學;微動疲勞

微動疲勞(Fretting Fatigue,FF)現象廣泛存在于機械、交通、電力、航空航天,乃至生物醫學工程等領域[1-4],它會加速零部件的疲勞裂紋萌生與擴展,從而明顯降低服役壽命,甚至造成災難性事故,因此微動損傷被稱為工業中的“癌癥”[3]。研究表明,微動能使構件的疲勞壽命降低20%～80%,甚至更低[4]。將微動和疲勞聯系起來的報道最早始于1911年[5],Tom lin2 son[6]等于1927年開始系統性研究,1941年Warlow2 Davies[7]的研究表明,微動引起材料疲勞強度下降,由此微動疲勞開始作為一個專題被提出來。自20世紀70年代以來,微動疲勞越來越受到國內外學者的重視[2]。目前關于微動疲勞的研究雖不少,但均未取得重大突破,主要集中在:微動疲勞損傷機理、裂紋的萌生與擴展、對疲勞壽命的有效控制等方面。對微動疲勞損傷的評價標準也尚未統一[2,8]。因此,系統地研究微動疲勞的損傷行為及防護措施,具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 微動疲勞的特征及分類

微動疲勞是指接觸體由于承受外界交變疲勞應力(如拉2壓,旋轉2彎曲,扭轉,平面彎曲等)產生不同的變形引起接觸界面發生微幅相對運動(通常在微米量級),促使疲勞裂紋早期萌生和加速擴展,從而導致構件過早失效破壞的現象,它是一種伴隨微動磨損的疲勞強度和疲勞壽命問題[1,3,4]。與常規疲勞相比,微動疲勞具有以下特征:①接觸區周邊承受非線性分布載荷,局部應力高度集中;②疲勞裂紋首先在接觸區近表面產生;③局部表面損傷嚴重,它對裂紋萌生和擴展又有推動作用。

微動現象十分復雜,根據接觸方式的不同可簡單地分為點、線和面接觸;按受載類型的不同,又可將其歸納為:①拉壓微動疲勞(見圖1(a));②彎曲微動疲勞(見圖1(b));③扭轉微動疲勞(見圖1(c))。

目前,國內外的研究主要集中在拉壓微動疲勞,而后兩種研究相對較少。綜合兩種以上或結合其他運動方式(如沖擊)的復合式微動疲勞在工程領域十分常見,但由于問題的復雜性和研究設備的單一性等原因,為此展開的實驗研究較少。

2 微動疲勞的實驗裝置

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

國內外研究微動疲勞的實驗裝置按照微動墊的結構不同主要可分為橋式微動墊[2,9](見圖2(a))和圓柱式微動墊[2,10](見圖2(b))等。前者為一種面接觸裝置,其優點在于不管是彎曲還是拉應力作用下微動墊可通過應力環或其他預緊裝置固定在標準疲勞試樣上,作用于試樣的循環應力在微動橋和試樣間引起微滑從而實現微動疲勞試驗。在20世紀90年代以前該裝置被廣泛采用,其結構簡單,但存在一些不足,首先,微動橋不是完全的剛體,變形造成與試樣間的接觸條件不好描述;其次,即使是在完全對稱情況下,兩微動橋腳也不可能完全一致地協調滑動,導致滑移區難以確定。后者為一種線接觸的實驗裝置,20世紀60年代末Nishioka和Hirakaw a[11]等人開始使用,這樣微動墊的調整不再顯得重要,在理論上應力可以用傳統的分析方法來獲得,且應力分析中的正應力P,切向應力Q和試樣的遠場作用力等參數均可較容易地測量和控制。因此該裝置被眾多研究者所接受,并成為現在最常用的裝置。

圖2 微動疲勞常用實驗裝置示意圖(a)橋式微動墊;(b)圓柱式微動墊Fig.2 Geometry of fretting fatigue experiments (a)bridge2type pad;(b)cylindrical pad

此外,很多學者利用更加貼近零部件實際工況的裝置開展研究,如燕尾榫聯接[2]、電纜線[3]、旋轉體緊配合面[12]等的微動疲勞。

3 微動疲勞行為及壽命影響因素

影響疲勞過程的因素很多,包括實驗設備、環境及人為因素等。據Dobromirski[8]報道,有高達50余種因素影響微動疲勞過程。許多學者對微動疲勞的影響因素進行了不同的分類,如Bill等[13]將微動疲勞過程的影響因素分成接觸條件,環境條件和材料特性及行為三個范疇,Waterhouse[14]將其概括為力學參數,物理參數和環境參數。

然而,近年來的研究[2,4,15,16]表明,應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)可通過應力環法,液壓伺服法,重力法施加。它對磨損量和裂紋的萌生擴展起重要作用,它的變化會導致接觸面間摩擦系數和應力集中的不同,從而影響微動疲勞強度。早期研究認為[17,18],疲勞壽命隨P的增大而下降。之后的研究[9,15,19]更準確地描述了P的影響,如Nakaza2 wa[9]等指出,在較低P下微動疲勞壽命幾乎不受影響,當P達到一定值后疲勞壽命急劇下降,根據微動圖理論這是微動運行區域發生改變的原因[3,20]。Adibnazari和Hoeppner[19]發現對疲勞壽命影響的P存在一臨界值(它隨交變疲勞應力增大而減小),在較高P時對壽命影響不大,并指出這可能是由于當P超過臨界值時,滑移幅值達到極限且接觸狀況發生改變。

3.2 滑移幅值

相對滑移幅(滑移幅δ)指兩接觸體發生微動時,局部接觸表面間的切向位移幅。Vingsbo等[16]研究表明,δ對微動疲勞壽命存在影響,即當δ處于一定范圍內(典型為5～50μm之間[14,16])時微動疲勞壽命縮短,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論,并表明疲勞壽命和δ的這種關系與P無關。這可能是由于疲勞裂紋在達到最小臨界長度之前已被磨損掉,也有人[14]認為磨屑充當了固體潤滑層從而導致應力減小所致。周仲榮等[3,20]的二類微動圖理論的建立,揭示了微動疲勞壽命存在凹區的根本原因是接觸界面的相對運動處于微動混合區。綜上所述,δ對材料微動疲勞強度的影響與P相似,具有“尺寸效應”,即當δ處于臨界區域(即混合區)時疲勞壽命最短,而增大或減小滑移幅,避開微動混合區都可以使疲勞壽命提高。

3.3 實驗頻率

研究表明:較低頻率(f)對疲勞壽命影響不大,但f達到一定值時疲勞壽命明顯下降。這主要是由于低頻延長了實驗時間,進而化學作用機制增強,被氧化的磨屑起了潤滑作用[16]。Soderberg和Bryggman[22]分析認為,f的上升會引起表面溫度和應變率升高,從而加速微動疲勞和微動腐蝕。Iyer和Mall[15]也認同這種觀點,通過對鈦合金的測試發現,f從1Hz增加到200Hz,疲勞壽命卻逐步下降,這種現象在低應力階段更為明顯。

3.4 摩擦力

接觸表面間摩擦力所引起的切向應力是裂紋萌生和擴展的重要原因。Lykins[23]等指出疲勞裂紋的位置和擴展方向與切向應力有關,最大切應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論。Vingsbo和Soderberg[16]等研究了切向力對微動疲勞行為的影響,表明切向力大小與相對位移有關。在微動疲勞過程中切向摩擦力的檢測一直是難點,如果能準確測量接觸界面的相對位移幅和摩擦力,則可建立微動疲勞條件下的二類微動圖(運行工況微動圖和材料響應微動圖)。

3.5 微動環境

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

3.6 接觸區材料

由于材料本身性能的差異,微動運行和損傷行為不盡相同。且微動疲勞常發生在接觸表面,材料的表面狀態如應力狀態、表面粗糙度等直接影響微動疲勞特性[4]。

綜上所述,影響微動疲勞壽命的因素多且彼此又可能相互關聯(時變性、相干性)。許多因素又常受到某一或幾個因素的影響。例如,當調整接觸壓力時,接觸應力幅、表面剪應力、滑移幅等也隨之改變[15]。并且對若干個影響微動疲勞的參數研究也較難完整地描述微動疲勞行為。因此,微動疲勞的研究十分困難、復雜。目前雖已取得一定進展,但主要集中在簡單的點或線接觸條件下,而研究復雜接觸條件和復雜應力2應變場內的微動疲勞行為及壽命的影響因素較少。

4 微動疲勞的損傷機理研究

在微動損傷機理方面,各國學者已經進行了大量的研究工作[1-3,8]。大多數學者認為微動疲勞破壞經歷四個階段,即:(1)裂紋萌生;(2)裂紋早期擴展;(3)裂紋后期擴展;(4)構件失穩斷裂。其壽命主要取決于前兩階段,而微動疲勞損傷機理的研究始終圍繞著裂紋的萌生和早期擴展行為。此外,許多的研究[1,4,14]表明,在微動作用下某些表面劃痕或缺陷很可能轉變為疲勞裂紋萌生及擴展點。當疲勞裂紋萌生后,微動作用對裂紋擴展的影響較小,換言之,微動對疲勞裂紋萌生點的位置及形成有較大影響,而對疲勞裂紋的擴展影響不大。

微動疲勞的機理研究始于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損傷的現象已被否定;Poon和Ho2 eppner[24]等人認為在大氣環境下,由于氧和水蒸氣的存在,在機械作用下新鮮金屬表面暴露,形成氧化膜,然后在機械作用下氧化膜破裂而形成磨屑并排出,進一步發展了Uhilg等人提出的微動疲勞是機械和化學聯合作用的結果,同時指出磨屑堆積后剝離形成蝕坑,微動疲勞裂紋可在蝕坑內形核,隨著蝕坑進一步增大至某臨界值后裂紋萌生并擴展。此后,一些模型相繼提出,Collins[25]考慮到實際表面在細觀上的粗糙不平,相互接觸時,只有“凸峰”即微凸體發生接觸,并使其根部產生的交變壓力將導致微裂紋形成,從而提出了微凸體接觸裂紋萌生機制;Feng等[26]對小蝕坑演變為大深坑的發展過程作了解釋;Halliday和Hirst[27]則認為蝕坑的形成是由于微動過程中較高的集中應力作用,在接觸點形成微焊并在疲勞應力作用下剝離;Nishioka等[11]認為微動疲勞裂紋萌生于損傷區局部表面層循環應力最大的部位;Gaul和Du2 quette[28]將Suh于70年代提出的剝層理論運用于微動疲勞裂紋形成機制,認為剝層磨損過程中某些裂紋擴展至材料內部成為疲勞裂紋;Waterhouse[14]也認為剝層是微動疲勞裂紋萌生的一種機制。

值得一提的是,Zhou和Vincent[3]提出過應變2應力機制,認為微動表面材料的損傷是由于反復交變應力作用下材料表層發生“過應變”,而微裂紋的萌生由“過應變”的作用引起;并運用二類微動圖理論,揭示了微動運行機制和材料損傷規律,對微動疲勞的發展做出了重要貢獻。近年來,作者所在課題組在不同微動磨損模式下的研究表明[29],裂紋萌生與接觸區形成的微動白層有重要關系,而裂紋的早期擴展與局部磨損存在競爭,當局部磨損較大時,裂紋隨著材料的去除而消失,而在微動疲勞條件下,接觸界面多數情況下處于部分滑移區和混合區,裂紋的早期擴展就不可避免。

5 微動疲勞的失效評估

5.1 名義應力法預測

評估微動對疲勞和研究不同變量對疲勞的影響時最常用的方法是測定其S2N曲線[14]。名義應力法的基本思路是:從材料的微動疲勞S2N曲線出發,再考慮各種影響系數,得出材料或零部件的微動疲勞S2N曲線,并根據S2N曲線預測微動疲勞壽命。

5.2 經驗公式法預測

經驗公式法預測微動疲勞強度和壽命始于20世紀70年代。許多學者進行了深入研究并得出了不同的判定公式。Nishioka和Hirakawa[11]通過對柱/平面接觸微動疲勞測試,描述了疲勞裂紋的萌生,得出微動疲勞強度定量公式,它把握了摩擦系數、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。實驗表明,該式與一些常規疲勞材料所表現出的微動疲勞現象不太相符。Sato和Fuji[10]等在Tresca臨界值的基礎上,通過對彎曲微動疲勞試驗得出微動疲勞下的應力幅值公式,所得計算值與實驗值較吻合。Ruiz[30]等提出兩個經驗參數(k1,k2)來描述微動損傷,后來又提出可用微動疲勞損傷因子(Fretting Fatigue Damage Parameter, FFDP)來評價損傷程度等。Lykins和M all[31]等系統地將微動疲勞裂紋萌生參數分為三類:基于應變萌生參數、臨界面萌生參數和微動疲勞特有參數,并對幾種疲勞參數(SW T,F2S,k1k2等)進行了驗證,指出接觸面最大應變幅是評價微動疲勞裂紋萌生的重要因素。并用臨界面剪切應變幅預測裂紋萌生的循環周期和萌生位置,得到了在不同應力比下一些壽命預測公式的經驗數據。

5.3 基于斷裂力學法預測

微動疲勞裂紋的萌生和擴展尚未、也很難有明確的劃分標準,它們之間如何演變,哪個階段對疲勞總壽命起主導作用等問題目前還存在爭議[32]。大多數學者認為,由于微動接觸區應力集中的作用,裂紋萌生和失效斷裂只占疲勞總壽命的一小部分,而裂紋的擴展是一個十分緩慢且相對漫長的過程。因此,采用斷裂力學方法計算微動疲勞裂紋擴展壽命能近似表征微動疲勞總壽命[33]。

Edw ards[1]首先將斷裂力學方法應用于試件的微動疲勞壽命估算,認為疲勞裂紋首先從試件與微動墊接觸區邊緣萌生。Rooke和Jones[32]根據微動區內的多軸應力對微動裂紋尖端的應力場強度因子進行了計算,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)兩個應力強度因子的求解結果。Hills與Nowell等[35]利用斷裂力學對微動疲勞作了深入分析,豐富和發展了M indlin理論。Gian2 nakoupoulos等[36]用斷裂力學的方法提出了物理疲勞短裂紋擴展的應力強度因子幅門檻值概念。Hatto ri等[37]采用奇異應力場和斷裂力學方法預測微動疲勞壽命,認為微動疲勞壽命可以用應力強度因子幅來估算。目前,采用斷裂力學方法進行微動疲勞壽命的預測已取得了一定的進展,均有一定的準確性和可參考性。但在實際的工程應用中,如微動疲勞裂紋在早期階段形成及表面斜角對裂紋擴展的影響、如何獲得較準確的初始擴展裂紋尺寸等還存在問題。

近年來,越來越多的學者運用有限元分析手段建立不同的計算模型,對微動疲勞接觸區進行三維彈塑性有限元分析,研究不同參數對微動疲勞行為及壽命的影響,模擬微動裂紋萌生、擴展行為,取得了較滿意的成果。

6 防護或減緩微動疲勞的措施

基于微動疲勞損傷機理的一些基本認識,許多研究者進行了大量的實驗,提出了不同的減緩措施[3,14,38-40],總結起來可歸納為幾類。

6.1 應用表面工程技術

表面工程抗微動疲勞技術的研究從20世紀六七十年代發展起來,且不斷地有新技術得到成功應用。目前對提高抗疲勞性能較有效的技術主要有:表面機械強化[38,39]、離子注入[41]、離子束輔助沉積硬膜、熱噴涂[38]、固體潤滑涂層等。噴丸處理已成為鈦合金航空部件抗微動疲勞表面處理的標準預處理方法。若將噴丸與其他表面處理方法相結合可能又會得到更佳的復合效果。如鈦合金在離子鍍、等離子噴涂等處理前進行噴丸強化,抗高溫微動疲勞性能有明顯提高[39]。King[44]等指出激光噴丸強化抗微動疲勞性能明顯優于常規噴丸處理。此外,文獻[40],[45]等總結了一些典型抗微動損傷的表面技術,對抗微動疲勞的工程應用也具有一定的指導意義。

6.2 材料的合理選用與匹配

根據零部件的工作環境合理選擇與匹配適當的接觸副材料對減緩微動損傷有重要作用。由于黏著和表面疲勞在微動疲勞中起主導作用,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。從目前的發展趨勢看,在實際工程中有微動存在的場合將越來越多地使用非金屬材料和復合材料。因此,為提高構件的抗疲勞強度應綜合考慮各方面因素合理選材。

6.3 優化和改良結構設計

改變結構設計是控制微動疲勞損傷的有效手段之一。結構設計的簡單改變,有時可能收到意想不到的抗微動疲勞效果。當然任何給出的幾何結構和設計數據都必須來源于適當模擬實際應用的實驗[46]。通過優化結構、減少交變應力幅值、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展,不同程度地提高抗微動疲勞性能。因此,若設計人員具備抗微動損傷及其防護方面的知識,許多疲勞問題即可在設計階段得到有效解決。當然對于許多工程結構,由于多方面的原因,改變結構可能使其他參數不能達標,這時采用表面防護是常用的方法。

6.4 使用潤滑介質

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

綜上所述,抗微動疲勞研究已取得了一定的成果,但距實際工程應用的要求仍存在較大的差距,還有一些尚待解決的問題,如對某些內在機理的研究尚欠系統認識,且較多研究結果存在分散性和差異性等。

7 結束語

微動疲勞問題的研究已開展近百年,但因其具有多學科性、多影響因子性、因子參量時變性和相干性等特點,導致研究尚不系統,更不完善,許多領域有待進一步深入。因此有必要結合實際應用中關鍵微動疲勞部件的服役條件,從不同角度尋求改善微動疲勞性能的有效手段。

(1)在機理研究方面,應更加貼近工程實際,開展微動疲勞多模式多因數耦合特性及其損傷機理的研究;有針對性地對交通、核電、人工植入器官等特殊服役工況下微動疲勞的研究;對傳統的微動疲勞金屬材料(目前以鋼、鈦合金、鋁合金最為常見)進行深入系統研究的同時,開展對復合材料、高分子材料、先進陶瓷材料等的機理研究;開展不同運行模式下(拉壓、彎曲、扭轉)的微動疲勞比較研究和復合微動模式的研究;開展微動疲勞損傷的模擬與仿真;建立新的測試方法、實驗手段等。

(2)在微動疲勞評估方面,開展斷裂力學、損傷力學、細觀力學和可靠性方面的應用研究,提高微動疲勞行為與壽命預測方法的準確性和普適性,以求準確處理微動失效故障,促進微動疲勞研究的深化與發展,并探索疲勞損傷的早期診斷與監控等;尋求更加合理的微動疲勞失效評估方法和模型,解決工程實際面臨的問題。

(3)在抗微動疲勞方面,探求合理的抗疲勞設計方法,開發有效的抗微動疲勞潤滑介質,針對不同表面處理技術進行系統的研究以揭示內在規律外,從不同模式、不同工程應用背景出發進行研究,進一步促進表面工程技術在工業領域的應用。

(4)在微動疲勞實驗方面,著重強調實驗手段與實驗方法能真實地模擬與再現工程實踐中的微動疲勞現象,只有這樣才能揭示微動疲勞現象的本質,才能構建合理的模型。

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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

國家重大基礎研究計劃資助項目(973項目) (2007CB714704);國家自然科學基金資助項目(50821063);牽引動力國家重點實驗室自主研究資助項目(2008TPL_Z10)

2009204207;

2010204209

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

朱旻昊,男,教授,博導,聯系地址:四川省成都市二環路北一段111號西南交通大學摩擦學研究所(610031),E2mail:zhuminhao@ sw jtu.cn