微动疲劳损伤理论研究进展

杨启

摘要：综述了微动疲劳这一特殊损伤形式的产生机理、常见形式、理论模型等，展望了微动疲劳研究的发展前景。

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

关键词：微动疲劳;损伤机理;表面强化技术

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

0  引言

微动，是指两接触体表面发生振幅极小的相对运动，其位移幅度一般为微米量级（？燮200μm）[1]。当接触体表面发生微动而基体又承受外加循环载荷时，即构成了微动疲劳条件。微动可引起接触面磨损、配合松动、功率损失、噪声增加、污染源形成等多种问题，但危害最大的当数由微动疲劳导致的构件断裂失效。与常规疲劳相比，微动疲劳引入的构件表面创伤在外部循环载荷的作用下，将大大加速裂纹的萌生及扩展，导致构件疲劳强度显著降低或发生早期断裂[2]。研究表明，微动可使构件疲劳寿命降低30%以上，甚至达到80%[3]，因而微动损伤也被称为工业中的癌症。微动疲劳损伤机理及相关防护技术的研究，可为高技术装备在苛刻工况条件下运行的可靠性和安全性提供有力保障，对于减少能源和材料消耗具有重要意义。

1  微动疲劳损伤机理研究进展

经典的微动损伤机理可大致分为磨损行为机理及裂纹萌生机理两大类。也有学者将前者归为微动磨损机理，而将后者作为微动疲劳机理。事实上，微动磨损行为大多数情况下会贯穿微动疲劳的各个阶段。磨损引起的微动区接触界面变化可能导致微动运行机制改变，进而影响后续的裂纹萌生行为。因此，若想深入解析微动疲劳过程，就必须对微动磨损机理有全面而深入的认识。以下是微动损伤领域具有代表性的理论和观点：

1.1 Tomlision分子磨损理论  Tomlision等认为微动磨损是分子磨损的过程，即分子间相互作用力是导致材料脱落的主要原因。

1.2 Godfrey机械粘着机理  Godfrey等认为微动磨损主要是一种机械作用，在相对滑动中接触表面因粘着点破坏而产生磨屑颗粒，且磨屑随后可能被氧化而加速微动损伤过程。

1.3 Uhlig机械和化学共同作用理论  Uhlig等认为微动破坏是机械和化学共同作用的结果，并导出了最早的微动磨损定量表达式。接触表面的微凸体在相对运动的过程中，将表面氧化和吸附层刮掉，产生金属磨屑，这是机械作用;在微凸体通过后，新鲜金属又与大气中的氧气发生化学反应，形成氧化物，这是化学作用。

1.4 Feng和Rightmire磨损速率变化理论  Feng和Rightmire将微动磨损过程分为4个阶段：金属在接触表面间的转移;氧化磨屑形成，磨粒作用显著，磨损速率变大;磨屑堆积，磨损速率下降;稳定阶段，磨屑聚集和溢出大致保持平衡。

1.5 Suh脱层磨损理论  Suh认为摩擦过程中，表面以下一定深度由于塑性变形积累而产生位错堆积，位错运动受阻（夹杂、孪晶界、相界）则易汇聚形成空穴，在剪切力作用下，裂纹可于空穴处形核且沿平行于表面方向扩展。当裂纹扩展至临界长度时，裂纹与表面之间的材料将以片状从母体剥落。

1.6 Hurricks微动磨损三阶段理论  Hurricks总结了前人研究结果，认为可将微动分为三个阶段：金属表面的粘着与转移、磨屑颗粒的形成与氧化、稳定磨损。Waterhouse进一步丰富了Hurricks理论并对其进行了系统总结与阐述：①初始阶段（数千次微动循环内），金属与金属接触占主导地位，接触表面形成局部冷焊点（粘着）;②氧化阶段，在机械和化学作用下，磨屑颗粒发生氧化形成致密的氧化物层，摩擦系数有所下降;③稳态阶段，氧化物磨屑积累至一定数量，摩擦系数基本稳定，氧化物磨屑的磨料磨损作用得以凸显。

1.7 L.Vincent等微动损伤新理论  20世纪80年代后期，以L.Vincent[4，5]为代表的团队发表了一系列研究成果，对学界产生了深远影响。其主要贡献是建立了两类微动图理论，从本质上揭示了微动运行与损伤规律。第一类是运行工况微动图。该图以位移幅值和法向载荷这两个微动基本要素为横、纵坐标，在不同位移幅值和法向载荷下得到三类微动特征区域，即部分滑移区、混合区和完全滑移区;与之相对应的是第二类微动图，即材料响应微动图。该图表明，部分滑移区损伤轻微，滑移区以磨损损伤为主，而裂纹则多出现在混合区。两类微动图的出现，为材料既定工况下的微动运行机制及损伤行为分析奠定了理论基础并提供了有效工具，加深了人们对于微动磨损及微动疲劳内在联系的认识。

1.8 微凸体接触裂纹萌生理论  Collins认为实际表面在微观上是粗糙不平的，存在數量众多、随机分布的微凸体。当两表面接触时，本质上是部分微凸体顶部率先发生接触。因此，真实接触面积远小于名义接触面积，接触点处真实接触应力远大于名义接触应力。当真实接触应力超过材料屈服强度时，接触点即发生塑性流变，导致接触部位表面氧化膜破碎，金属发生直接接触，进而形成局部冷焊点（黏着），摩擦系数也随之增加。当滑移幅值较小时，黏着部位微凸体可在微动过程中保持接触状态，其根部承受的交变应力可能导致裂纹萌生。

1.9 脱层磨损裂纹萌生理论  Suh提出的金属脱层磨损理论认为，微动接触条件下，两接触面表层材料由于显著塑性流变而发生加工硬化。在微动疲劳过程中，微裂纹在材料次表层塑性变形受约束区域产生，产生的微裂纹在硬化层内延伸并扩展至自由表面，使表层材料呈层片状脱落。Gual、Hoeppener、Waterhouse等都认为，微动疲劳裂纹更易萌生于材料脱层剥落形成的应力集中区域。由此可见，脱层机制引起的裂纹萌生可归为两个方面：①次表层裂纹向内扩展转为微动疲劳主导裂纹;②脱层形成的剥落区、蚀坑等缺陷部位易发生应力集中而导致裂纹萌生。

1.10 接觸引起宏观局部应力集中模型  Nishoka认为，微动疲劳裂纹易于在微动损伤区局部循环应力最大处萌生。局部循环应力由外加循环应力及接触界面摩擦力共同组成。微动条件下，Hertz接触使表面产生交变切应力，接触表面前后部分在微动运行过程中分别承受压应力和拉应力，交变应力峰值位于接触区外边缘，因而此处易萌生微动疲劳裂纹。

事实上，即使是某一特定条件下的微动疲劳裂纹萌生也常常涉及多种萌生机理，只是各机理所占比重不同，有些可能起到主导作用，有些则处于从属地位。基体材料、试验设备、运行参数，甚至环境条件都会对微动疲劳萌生机理产生影响，因此很难找到一个普适性机理。尽管微动疲劳裂纹萌生理论难以统一，但是关于已萌生裂纹的扩展过程，学界得出了较为一致的结论，Chambon和Meriaux对其进行了较为详尽的描述：①裂纹在接触应力作用下萌生;②裂纹在接触应力与外加载荷共同作用下扩展，该阶段裂纹生长方向与接触面呈一定角度，受接触应力影响较大;③裂纹长度超过接触应力影响区，其扩展逐步朝垂直于接触面方向转变，该阶段外加载荷影响起主导作用;④试样最终断裂失效。

2  结束语

时至今日，微动摩擦学已发展成为涉及机械、材料、力学、表面工程等众多领域，涵盖运行机制、损伤机理、监控措施和防护手段等各个方面，集基础理论研究与工程应用开发于一身的新兴交叉学科。而微动疲劳也因其存在的广泛性及危害的严重性而成为微动摩擦学研究的重要组成部分。放眼未来，微动疲劳的损伤及防护机理必将继续作为领域内的研究热点受到国内外学者的持续关注。研究人员仍需以机理挖掘为出发点，贴合工程应用需求，进一步深入开展微动损伤研究工作。

参考文献：

[1]周仲荣，LeoVincent.微动磨损[M].科学出版社，2002.

[2]陈明.TC4钛合金及其喷丸处理后的微动损伤特性[D].大连理工大学，2012.

[3]何明鉴.机械构件的微动疲劳[M].国防工业出版社，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.