扭动微动条件下的磨损与疲劳竞争机制研究

扭动微动磨损是在交变载荷作用下发生在相互接触表面的角位移幅值极小的往复运动。扭动微动现象广泛存在于航空业、生物摩擦学、机车零部件等各个王业领域中，不易察觉，但是危害损伤性极大。本项目首先在配置高精度低速往复转动台的CETR UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上进行实验，采用球（GCrl5钢球）一平面（铝合金平面）接触模型，分别探讨了角位移幅值、法向载荷、循环次数等参数对5083铝合金以及7050铝合金扭动微动特性的影响。随后基于接触问题有限元方法对扭动微动开展数值分析，研究关键微动参数对接触表面及次表面的应力应变分布的影响。从力学角度分析扭动微动磨损损伤特性，并将力学行为和实验现象进行对比分析；并利用有限元软件用户子程序引入接触表面随时间和空间各项同性变化的摩擦系数，对扭动微动磨损进行数值模拟。同时开展涂层扭动微动有限元分析，通过与基体力学行为的比较，探讨固体润滑涂层在抗扭动微动磨损中应用的可行性。并且建立了一种可以有效预测粗糙表面下，考虑材料耗散的扭动微动磨损的数值模型，采用半解析法计算接触区的压力分布，采用离散卷积快速傅里叶变换和共轭梯度法可以有效的求解扭动微动磨损中的接触问题，提高了计算的效率。

扭动微动是在交变载荷下接触副产生微幅扭转（角度幅值不超过几度）的相对运动，在很多回转部件中较常见，如球窝关节、球阀、车辆心盘等，国内外的研究至今不够系统，特别是微动白层的形成机制和微动疲劳裂纹的萌生扩展机制。本研究将首先建立合理的磨损预测公式和表面摩擦模型，利用数值模拟实现对扭动微动界面的几何演化、表面非均匀动态摩擦因数的影响的预测分析，同时结合实验研究，建立不同材料的扭转微动的运行工况微动图、损伤响应微动图和微动白层的形成及演变过程，揭示不同接触方式的扭动微动在材料损伤机制上的差异。在此基础上，结合磨痕和剖面形貌分析，研究扭动微动条件下摩擦白层的形成机制，材料局部磨损与疲劳之间的竞争关系，进而揭示裂纹萌生与白层的相互作用关系，以及磨损和疲劳的相互竞争机理。本研究不仅具有重要的科学价值和理论意义，而且对高速铁路轮轴冷切断裂和人工心脏瓣膜磨损等的工程问题的解决具有重要指导意义。

两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被忽视。微动磨损的最大特点是在外界变动载荷作用下，产生振幅很小（小于100μm，一般为2～20 μm）的相对运动，由此发生摩擦磨损。例如在键连接处、过盈配合处、螺栓连接处、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，使配合部件紧度下降甚至松动，连接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致连接件疲劳断裂。

摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的磨损称为疲劳磨损。如滚动轴承的滚动体表面、齿轮轮齿节圆附近、钢轨与轮箍接触表面等，常常出现小麻点或痘斑状凹坑，就是疲劳磨损所形成。

机件出现疲劳斑点之后，虽然设备可以运行，但是机械的振动和噪声会急剧增加，精度大幅度下降，设备失去原有的工作性能。因此，所生产的产品的质量下降，机件的寿命也要迅速缩短。

出现疲劳磨损的主要原因是在滚动摩擦面上，两摩擦面接触的地方产生了接触应力，表层发生弹性变形。在表层内部产生了较大的切应力（这个薄弱区域最易产生裂纹）。由于接触应力的反复作用，在达到一定次数后，其表层内部的薄弱区开始产生裂纹，届时，在表层外部也因接触应力的反复作用而产生塑性变形，材料表面硬化，最后产生裂纹。总而言之，是在材料的表面一层产生了裂纹。因为最大切应力与压应力的方向呈45°角，所以，裂纹也都是与表面呈45°角。在裂纹形成的两个新表面之间，由于润滑油的楔入，使裂纹内壁产生巨大的内压力，迫使裂纹加深并扩展，这种裂纹的扩展延伸，就造成了麻点剥落。由此可见，接触应力才是导致疲劳磨损的主要原因。降低接触应力，就能增加抵抗疲劳磨损的强度。当然改变材质也可以提高疲劳强度。此外，润滑剂对降低接触应力有重要作用，高黏度的油不易从摩擦面挤掉，有助于接触区域压力的均匀分布，从而降低了最高接触应力值。当摩擦面有充分的油量时，油膜可以吸收一部分冲击能量，从而降低了冲击载荷产生的接触应力值。

持续的机械振动应力将引起电连接器中插针与插孔发生微动磨损，相应出现的电接触故障亦是导致电连接器功能失效的根本原因之一。本项目通过联合非线性有限元法与移动元胞自动机自组织技术建立电连接器接触对宏观、微观微动磨损分析模型，研究电连接器接触对微动条件下表面形貌、成分及电接触特性演化过程的分析技术。开发机械振动条件下电连接器微动特性综合测试分析系统，最终确定机械振动引起电连接器微动磨损的失效机理、关键影响因素及电接触性能退化规律。本研究的分析方法与所得的结论对于提高电连接器可靠性及耐环境能力具有重要的理论意义与实用价值，同时对于电连接器结构优化以及所用电接触材料优选亦将具有借鉴意义。