微動疲勞損傷理論研究進展

楊啟

摘要：綜述了微動疲勞這一特殊損傷形式的產生機理、常見形式、理論模型等，展望了微動疲勞研究的發展前景。

Abstract： The mechanism， common form and theoretical model of fretting fatigue were reviewed， the application of surface strengthening technology in fretting fatigue was summarized.

關鍵詞：微動疲勞;損傷機理;表面強化技術

Key words： fretting fatigue;damage mechanism;surface strengthening technology

0 ?引言

微動，是指兩接觸體表面發生振幅極小的相對運動，其位移幅度一般為微米量級（？燮200μm）[1]。當接觸體表面發生微動而基體又承受外加循環載荷時，即構成了微動疲勞條件。微動可引起接觸面磨損、配合松動、功率損失、噪聲增加、污染源形成等多種問題，但危害最大的當數由微動疲勞導致的構件斷裂失效。與常規疲勞相比，微動疲勞引入的構件表面創傷在外部循環載荷的作用下，將大大加速裂紋的萌生及擴展，導致構件疲勞強度顯著降低或發生早期斷裂[2]。研究表明，微動可使構件疲勞壽命降低30%以上，甚至達到80%[3]，因而微動損傷也被稱為工業中的癌癥。微動疲勞損傷機理及相關防護技術的研究，可為高技術裝備在苛刻工況條件下運行的可靠性和安全性提供有力保障，對于減少能源和材料消耗具有重要意義。

1 ?微動疲勞損傷機理研究進展

經典的微動損傷機理可大致分為磨損行為機理及裂紋萌生機理兩大類。也有學者將前者歸為微動磨損機理，而將后者作為微動疲勞機理。事實上，微動磨損行為大多數情況下會貫穿微動疲勞的各個階段。磨損引起的微動區接觸界面變化可能導致微動運行機制改變，進而影響后續的裂紋萌生行為。因此，若想深入解析微動疲勞過程，就必須對微動磨損機理有全面而深入的認識。以下是微動損傷領域具有代表性的理論和觀點：

1.1 Tomlision分子磨損理論 ?Tomlision等認為微動磨損是分子磨損的過程，即分子間相互作用力是導致材料脫落的主要原因。

1.2 Godfrey機械粘著機理 ?Godfrey等認為微動磨損主要是一種機械作用，在相對滑動中接觸表面因粘著點破壞而產生磨屑顆粒，且磨屑隨后可能被氧化而加速微動損傷過程。

1.3 Uhlig機械和化學共同作用理論 ?Uhlig等認為微動破壞是機械和化學共同作用的結果，并導出了最早的微動磨損定量表達式。接觸表面的微凸體在相對運動的過程中，將表面氧化和吸附層刮掉，產生金屬磨屑，這是機械作用;在微凸體通過后，新鮮金屬又與大氣中的氧氣發生化學反應，形成氧化物，這是化學作用。

1.4 Feng和Rightmire磨損速率變化理論 ?Feng和Rightmire將微動磨損過程分為4個階段：金屬在接觸表面間的轉移;氧化磨屑形成，磨粒作用顯著，磨損速率變大;磨屑堆積，磨損速率下降;穩定階段，磨屑聚集和溢出大致保持平衡。

1.5 Suh脫層磨損理論 ?Suh認為摩擦過程中，表面以下一定深度由于塑性變形積累而產生位錯堆積，位錯運動受阻（夾雜、孿晶界、相界）則易匯聚形成空穴，在剪切力作用下，裂紋可于空穴處形核且沿平行于表面方向擴展。當裂紋擴展至臨界長度時，裂紋與表面之間的材料將以片狀從母體剝落。

1.6 Hurricks微動磨損三階段理論 ?Hurricks總結了前人研究結果，認為可將微動分為三個階段：金屬表面的粘著與轉移、磨屑顆粒的形成與氧化、穩定磨損。Waterhouse進一步豐富了Hurricks理論并對其進行了系統總結與闡述：①初始階段（數千次微動循環內），金屬與金屬接觸占主導地位，接觸表面形成局部冷焊點（粘著）;②氧化階段，在機械和化學作用下，磨屑顆粒發生氧化形成致密的氧化物層，摩擦系數有所下降;③穩態階段，氧化物磨屑積累至一定數量，摩擦系數基本穩定，氧化物磨屑的磨料磨損作用得以凸顯。

1.7 L.Vincent等微動損傷新理論 ?20世紀80年代后期，以L.Vincent[4，5]為代表的團隊發表了一系列研究成果，對學界產生了深遠影響。其主要貢獻是建立了兩類微動圖理論，從本質上揭示了微動運行與損傷規律。第一類是運行工況微動圖。該圖以位移幅值和法向載荷這兩個微動基本要素為橫、縱坐標，在不同位移幅值和法向載荷下得到三類微動特征區域，即部分滑移區、混合區和完全滑移區;與之相對應的是第二類微動圖，即材料響應微動圖。該圖表明，部分滑移區損傷輕微，滑移區以磨損損傷為主，而裂紋則多出現在混合區。兩類微動圖的出現，為材料既定工況下的微動運行機制及損傷行為分析奠定了理論基礎并提供了有效工具，加深了人們對于微動磨損及微動疲勞內在聯系的認識。

1.8 微凸體接觸裂紋萌生理論 ?Collins認為實際表面在微觀上是粗糙不平的，存在數量眾多、隨機分布的微凸體。當兩表面接觸時，本質上是部分微凸體頂部率先發生接觸。因此，真實接觸面積遠小于名義接觸面積，接觸點處真實接觸應力遠大于名義接觸應力。當真實接觸應力超過材料屈服強度時，接觸點即發生塑性流變，導致接觸部位表面氧化膜破碎，金屬發生直接接觸，進而形成局部冷焊點（黏著），摩擦系數也隨之增加。當滑移幅值較小時，黏著部位微凸體可在微動過程中保持接觸狀態，其根部承受的交變應力可能導致裂紋萌生。

1.9 脫層磨損裂紋萌生理論 ?Suh提出的金屬脫層磨損理論認為，微動接觸條件下，兩接觸面表層材料由于顯著塑性流變而發生加工硬化。在微動疲勞過程中，微裂紋在材料次表層塑性變形受約束區域產生，產生的微裂紋在硬化層內延伸并擴展至自由表面，使表層材料呈層片狀脫落。Gual、Hoeppener、Waterhouse等都認為，微動疲勞裂紋更易萌生于材料脫層剝落形成的應力集中區域。由此可見，脫層機制引起的裂紋萌生可歸為兩個方面：①次表層裂紋向內擴展轉為微動疲勞主導裂紋;②脫層形成的剝落區、蝕坑等缺陷部位易發生應力集中而導致裂紋萌生。

1.10 接觸引起宏觀局部應力集中模型 ?Nishoka認為，微動疲勞裂紋易于在微動損傷區局部循環應力最大處萌生。局部循環應力由外加循環應力及接觸界面摩擦力共同組成。微動條件下，Hertz接觸使表面產生交變切應力，接觸表面前后部分在微動運行過程中分別承受壓應力和拉應力，交變應力峰值位于接觸區外邊緣，因而此處易萌生微動疲勞裂紋。

事實上，即使是某一特定條件下的微動疲勞裂紋萌生也常常涉及多種萌生機理，只是各機理所占比重不同，有些可能起到主導作用，有些則處于從屬地位。基體材料、試驗設備、運行參數，甚至環境條件都會對微動疲勞萌生機理產生影響，因此很難找到一個普適性機理。盡管微動疲勞裂紋萌生理論難以統一，但是關于已萌生裂紋的擴展過程，學界得出了較為一致的結論，Chambon和Meriaux對其進行了較為詳盡的描述：①裂紋在接觸應力作用下萌生;②裂紋在接觸應力與外加載荷共同作用下擴展，該階段裂紋生長方向與接觸面呈一定角度，受接觸應力影響較大;③裂紋長度超過接觸應力影響區，其擴展逐步朝垂直于接觸面方向轉變，該階段外加載荷影響起主導作用;④試樣最終斷裂失效。

2 ?結束語

時至今日，微動摩擦學已發展成為涉及機械、材料、力學、表面工程等眾多領域，涵蓋運行機制、損傷機理、監控措施和防護手段等各個方面，集基礎理論研究與工程應用開發于一身的新興交叉學科。而微動疲勞也因其存在的廣泛性及危害的嚴重性而成為微動摩擦學研究的重要組成部分。放眼未來，微動疲勞的損傷及防護機理必將繼續作為領域內的研究熱點受到國內外學者的持續關注。研究人員仍需以機理挖掘為出發點，貼合工程應用需求，進一步深入開展微動損傷研究工作。

參考文獻：

[1]周仲榮，LeoVincent.微動磨損[M].科學出版社，2002.

[2]陳明.TC4鈦合金及其噴丸處理后的微動損傷特性[D].大連理工大學，2012.

[3]何明鑒.機械構件的微動疲勞[M].國防工業出版社，1994.

[4]Zhou Z R， Vincent L. Effect of external loading on wear maps of aluminium alloys[J]. Wear， 1993，s 162-164（3）：619-623.

[5]Zhou Z R， Vincent L. Mixed fretting regime[M]. Springer Berlin Heidelberg， 2014.