接觸載荷對7075鋁合金扭轉復合微動摩擦學行為的影響

沈明學 ，楊 莎，周 琰，蔡振兵，朱旻昊

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

實際工況中的微動現象十分普遍且復雜，往往是多種基本模式耦合作用的結果[1]。扭轉復合微動作為一種扭動和轉動微動相耦合的復合模式，它是指在交變載荷下接觸副配合面間發生微幅扭轉的相對運動[2-3]。日常生活中常見的球閥、軸承(滾動體與內外圈間)、人體內的杵臼關節(如髖關節、肩關節等)、交通運輸工具中的球窩式配合件(如汽車懸掛系統中的球窩接頭)等[3]，它們在運行過程中會經受不同程度的動態交變載荷，使接觸面間不可避免地發生扭轉復合微動，從而導致構件過早地失效，給生產和生活帶來了諸多困擾。

法向接觸載荷決定了微動的應力場分布、接觸區尺寸及切向剛度等的大小，對微動有重要影響[4]。目前，對微動的絕大部分研究結果源于單一的切向模式，如CRUZADO等[5]研究了接觸壓力對正交狀態下的鋼絲切向微動磨損的影響，表明不同接觸載荷下磨損量隨時間(或循環次數)均呈現兩階段，即跑合階段和穩定階段。在跑合階段，磨損嚴重，不同載荷下的磨損率呈相同趨勢；在穩定階段，較高載荷下材料表現出更高的磨損率。WATERHOUSE等[6]通過試驗研究發現磨損體積與法向正壓力間成線性關系，正壓力越大磨損越嚴重。MITCHELL和SHROTRIYA[7]研究了材料內應力和環境對磨損行為的影響。此外，在特殊環境(如高溫、介質等)、特殊領域的微動摩擦學研究也逐漸受到重視[8-11]。然而，針對扭轉復合微動的研究鮮見報道，作者所在課題組[1,12-14]系統研究了不同微動模式下的材料運行行為和損傷機理，發現接觸載荷不僅能改變微動的運行區域，而且對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扭轉復合微動運行和損傷行為的影響，對揭示材料在扭轉復合微動作用下的摩擦學規律及提高材料的抗微動損傷性能和零部件的使用壽命具有重要意義。

1 試驗

試驗材料選用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損傷在鋁合金上突顯，這樣有利于揭示復合微動的損傷行為。

微動試驗在新型扭轉復合微動試驗機上進行，采用球/平面接觸方式[2-3]。扭轉復合微動試驗參數為：回轉角速度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；循環次數N=1 000。試驗環境為大氣，溫度(20±3)℃，相對濕度 RH=60%±10%。試驗后，用光學顯微鏡(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 結果與分析

2.1 Ft—θ 曲線

與切向微動相似，扭轉復合微動也可以利用Ft—θ曲線對其進行動力學行為的分析[3]。圖1所示為7075鋁合金在傾斜角度為α=40°時不同角位移幅值和法向載荷下的Ft—θ曲線。可見，當θ=0.25°時，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運動由彈性變形協調為主，根據微動圖理論[15-16]，此時微動運行于部分滑移區(Partial slip regime, PSR)；當角位移幅值增加至θ=0.5°，在Fn=100 N時，Ft—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向橢圓形，表明前者微動仍運行于 PSR, 后者接觸界面由滑移狀態向部分滑移狀態轉變，微動運行于混合區(Mixed fretting regime,MFR)；當θ=1.0°時，在Fn為10 N和50 N兩種載荷下，Ft—θ曲線始終保持平行四邊形；而當Fn=100 N時，Ft—θ曲線的變化與Fn=20 N、θ=0.5°時相同，說明前者微動已運行于滑移區(Slip regime, SR)，而后者運行于MFR；當θ=2.0°時，曲線始終保持平行四邊形，說明接觸界面始終處于完全滑移狀態，即微動運行于SR。以上結果表明：扭轉復合微動的微動運行區域法向接觸載荷和角位移幅值。

2.2 微動運行工況圖

根據以上分析可判別不同接觸載荷和角位移幅值下的微動運行區域，標繪出扭轉復合微動的微動運行工況圖，如圖2所示，分別為7075鋁合金在傾斜角度為α=10°和α=40°時的微動運行工況圖。從圖2中可以看出，兩種傾斜角度下隨著法向載荷的增大，混合區均逐漸擴大，同時SR和MFR分別向MFR和PSR轉移。另一方面，對比圖2(a)和(b)可發現，隨著傾斜角度的增加，混合區逐漸縮小。

2.3 Ft/Fn系數

圖1 α=40°時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運行工況圖Fig.2 Running condition fretting map (RCFM)of 7075 Al alloy under different contact loads: (a)α=10°; (b)α=40°

在扭轉復合微動中得到的Ft/Fn系數相當于切向微動的摩擦系數。圖3所示為3種不同接觸載荷和角位移幅值下Ft/Fn系數隨循環次數變化曲線。由圖3可見，在相同角位移幅值(或運行區域)下，隨著接觸載荷的增加，Ft/Fn系數依次降低。這可能是由于切向力的大小受實際接觸面積影響，而接觸載荷的增加快于接觸面積的增加，從而導致高接觸載荷下Ft/Fn值反而降低。另一方面，在相同的微動區域內，不同接觸載荷下的Ft/Fn系數隨循環次數增加的變化趨勢相近。在PSR，由于彈性變形協調，Ft/Fn系數始終保持較低值并很快進入穩定期。在 MFR， 由于塑性流動的不斷累積和接觸狀態由部分滑移逐漸向完全滑移轉變，Ft/Fn系數一直保持爬升狀態最后趨于穩定。在 SR，Ft/Fn系數可分為跑和—初步穩定—爬升—穩定階段。與前兩個區域不同，在SR，小載荷下微動反而容易進入穩定階段，這可能是由于在小載荷下磨屑的產生和排出更早地達到動態平衡的原因。

圖3 α =40°時不同載荷和角位移幅值下的Ft/Fn系數曲線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3種不同接觸載荷下的磨痕形貌。由圖4可見，磨痕中心黏著邊緣輕微損傷，整個磨痕呈不對稱的月牙形。隨著載荷的增大，磨痕區域擴大損傷區相對減小且磨痕的不對稱性更加明顯。

圖4 α=40°、θ=0.25°時不同接觸載荷下的磨痕光學顯微形貌照片Fig.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°時兩種不同載荷下的磨痕形貌。此時，前者微動已運行于混合區，而后者運行于部分滑移區，表明接觸載荷明顯改變了微動運行區域。由圖5可得，Fn=20 N時，微動損傷的軌跡近似直線，磨痕形貌類似于轉動微動形貌[14]，說明此時微動主要受轉動微動分量控制，且隨著塑性流動的不斷累積磨痕中心呈明顯的隆起(見圖5(a))；而后者是明顯受扭動分量和轉動分量雙重支配的典型復合微動損傷形貌[2-3]，從磨痕輪廓可以看出損傷較前者輕微。表明此時接觸載荷越小，扭轉復合微動中摩擦副越容易受轉動微動分量控制，這個結論也可以在圖6中得到證實。在圖6中前者已運行于滑移區，微動主要受轉動微動分量控制；EDX測試發現，磨痕心部氧化已十分嚴重，大量的氧化磨屑從接觸區排出；而后者磨痕中心仍處于黏著狀態，但隨著循環次數的增加黏著區將逐漸減小并最終消失，此時微動運行于混合區并主要由扭動微動分量控制[3,13]。圖7所示為α=40°和θ=2.0°時兩種不同接觸載荷下的SEM磨痕形貌，此時微動均運行于滑移區。從圖7中可以看出，當Fn=20 N時，磨痕表面有明顯的犁溝，表明小載荷下磨損機制以磨粒磨損為主；而在Fn=100 N時，可以看到壓實的氧化物堆積于磨痕表面，磨痕上出現明顯的片狀剝落，表明大載荷下磨屑不易排出接觸區，磨損機制以伴隨剝層的疲勞磨損為主。此時，不同載荷下的磨痕輪廓均呈現深坑且隨著載荷的增加磨損加劇(見圖8)。

圖5 α=40°、θ=0.5°時不同接觸載荷下的磨痕光學顯微形貌照片及相應的截面形狀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°時不同接觸載荷下的磨痕光學顯微形貌照片及相應的截面形狀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°時滑移區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，由于接觸區磨屑排出困難及接觸區材料塑性流動等原因造成材料負磨損，因此本文作者僅考慮滑移區磨痕的磨損量。圖9所示為不同接觸載荷下的磨損量變化關系。從圖9可以看出，由于在α=10°、θ=0.5°時較高載荷下微動接近或處于滑移區，所以隨著接觸載荷的增大磨損量依次降低。而在其它參數下，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。值得注意的，接觸載荷與磨損量并不成線性關系，這與WATERHOUSE等[5]在切向微動中接觸載荷與磨損量成線性關系的推論不吻合。這是由于扭轉復合微動中材料的磨損是扭動微動和轉動微動耦合作用的結果，試驗參數的改變會直接影響微動中扭動或轉動分量的支配程度發生改變。也進一步說明了扭動分量或轉動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鋁合金的扭轉復合微動Ft—θ曲線均依次從扁窄的橢圓形轉變為打開的橢圓形和平心四邊形。據此，可將扭轉復合微動的運行區域判定為部分滑移區、混合區和滑移區，接觸載荷明顯地改變了微動運行區域；隨著接觸載荷的增加，微動推遲進入混合區或滑移區，且混合區逐漸擴大。

2)Ft/Fn系數在不同的微動運行區域呈現不同的變化趨勢。在相同的微動運行區域內，不同接觸載荷下的Ft/Fn系數隨循環次數增加的變化趨勢相近；Ft/Fn系數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烈地影響扭轉復合微動的運行行為。接觸載荷越大或角位移幅值越小，微動向部分滑移區或混合區轉移，微動磨損更趨向于受扭動微動分量控制；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，微動受轉動微動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。總之，扭轉復合微動的磨損機制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。

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