扭動微動磨損機理研究.pdf

1、根據(jù)接觸副間相對運動的不同，球/平面接觸條件下的微動可分為切向、徑向、轉(zhuǎn)動和扭動4種基本模式，目前的研究主要集中在切向微動模式。扭動微動是在交變載荷下接觸副發(fā)生的往復(fù)微幅相對扭動，在很多回轉(zhuǎn)部件中較常見，如球窩關(guān)節(jié)、球閥、車輛心盤等。雖然扭動微動現(xiàn)象十分普遍，但至今相關(guān)研究較少。開展扭動微動的研究，不僅深化和豐富微動摩擦學(xué)的基本理論，具有探索未知的科學(xué)意義，而且對抗工業(yè)微動損傷有重要的指導(dǎo)意義。
　　 本研究基于低速高精度轉(zhuǎn)動臺

2、和六維傳感器(x、y、z方向的力和扭矩)，成功研制了新型扭動微動試驗裝置，真實模擬了球/平面接觸條件下的扭動微動。該裝置具有同軸度高、扭轉(zhuǎn)角位移幅值范圍廣的特點，試驗結(jié)果有很好的可比性和重現(xiàn)性。配置可控氣氛系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同氣氛和濕度的試驗?zāi)M。
　　 本文在不同載荷水平、角位移幅值和循環(huán)周次下，對幾種典型金屬材料、高聚物和牛天然活性軟骨進行了扭動微動試驗。通過動力學(xué)分析，以及利用表面輪廓儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、

3、電子能譜(EDX)、光電子能譜(XPS)和HE染色法等進行微觀分析，系統(tǒng)地研究了扭動微動的運行機理與損傷機制。利用有限元方法，建立球/面接觸模型，對扭動微動進行數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行比較。完成的主要工作和取得的主要結(jié)論如下：
　　 (一)金屬材料的扭動微動運行和損傷機理
　　 針對Fe-C合金(工業(yè)純鐵、20＃鋼、LZ50鋼)和7075鋁合金，系統(tǒng)研究了扭動微動運行和損傷行為?？偨Y(jié)歸納了扭動微動的三種動力學(xué)

4、特性曲線(摩擦扭矩～角位移幅值曲線，T～θ曲線)，即直線型、橢圓型和平行四邊形型；研究揭示可以利用T～θ曲線、扭矩時變曲線、摩擦耗散能(Ed)、平均變形剛度(k)和粘著區(qū)比例(i)等參數(shù)表征扭動微動磨損的動力學(xué)特性；研究結(jié)果顯示，隨著角位移幅值的增加，扭動微動依次運行于部分滑移區(qū)(PSR)、混合區(qū)(MFR)和滑移區(qū)(SR)；研究建立了不同材料扭動微動的運行工況微動圖(RCFM)和材料響應(yīng)微動圖(MRFM)，發(fā)現(xiàn)與其它微動模式不同，扭動微

5、動的混合區(qū)具有特殊性，即在混合區(qū)，磨痕黏著區(qū)隨著循環(huán)周次的增加而減小直至消失；結(jié)果顯示扭動微動磨損強烈地依賴于法向載荷、角位移幅值、循環(huán)周次和材料性質(zhì)，研究建立了扭動微動磨損的物理模型；金屬材料在不同微動區(qū)域的特征總結(jié)如下：
　　 a)部分滑移區(qū)：磨痕呈環(huán)狀，接觸中心黏著且無損傷，微滑發(fā)生在接觸邊緣的圓環(huán)內(nèi)，磨損輕微；磨損主要表現(xiàn)為磨粒磨損和輕微氧化磨損；此時微動白層已形成。
　　 b)混合區(qū)：隨著循環(huán)周次的增加，粘著區(qū)

6、逐漸縮小，并最終消失，接觸狀態(tài)由部分滑移轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆?；混合區(qū)磨痕輪廓呈“W”型，磨損發(fā)生在微滑區(qū)內(nèi)，是磨粒磨損、氧化磨損和剝層共同作用的結(jié)果；Fe-C合金中含碳量增加，以剝層機制發(fā)生材料剝落的傾向增加；橫向裂紋在微動白層與塑性變形層的界面形成，顆粒剝落是橫向裂紋與垂向裂紋溝通的結(jié)果；剖面可觀察到向基體內(nèi)擴展的傾斜裂紋，表明該區(qū)域的局部疲勞裂紋擴展速率大于磨損速率。
　　 c)滑移區(qū)：磨損發(fā)生在整個接觸區(qū)，典型的磨痕輪廓呈“U”

7、型，損傷較嚴(yán)重；與混合區(qū)一樣，滑移區(qū)的磨損機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損和剝層；在剖面未發(fā)現(xiàn)傾斜裂紋，表明該區(qū)的局部磨損速率大于疲勞裂紋的擴展速率。
　　 (二)扭動微動接觸界面的氧化行為
　　 在可控氣氛條件下，研究了金屬材料在不同氣氛(工業(yè)純氮、工業(yè)純氧和大氣)和相對濕度(10％RH、60％RH和90％RH)下的扭動微動運行和損傷行為，重點分析了微動界面的摩擦氧化機理。研究結(jié)果顯示：
　　 (a)氣氛中含氧

8、量增加，混合區(qū)和滑移區(qū)向小角位移幅值方向移動。在氮氣氣氛下的扭動微動磨損機制為磨粒磨損和剝層，對于含氧氣氛(工業(yè)純氧和大氣)，磨損機制還包括氧化磨損。
　　 (b)較高的相對濕度明顯降低了摩擦扭矩和磨損；隨著相對濕度的增加，混合區(qū)的范圍逐漸縮小，混合區(qū)和滑移區(qū)向小角位移幅值方向移動。
　　 (c)XPS的結(jié)果表明潮濕氣氛中的水分促進摩擦過程中氧化反應(yīng)的發(fā)生，氧化產(chǎn)物起到了類似固體潤滑劑的作用，減輕了磨損。摩擦氧化增加了界

9、面滑移，產(chǎn)生的氧化磨屑不易排出接觸區(qū)，并有利于減少磨損。
　　 (三)高聚物的不同摩擦配副的影響
　　 分別研究了PMMA和UHMWPE在不同摩擦配副條件下的扭動微動運行和損傷行為，發(fā)現(xiàn)高聚物的扭動微動特性隨摩擦配副的不同而不同。研究結(jié)果表明：
　　 (a)PMMA和UHMWPE具有與金屬材料一致的扭動微動運行規(guī)律。研究討論了法向載荷、角位移幅值對扭動微動運行區(qū)域和損傷行為的影響。
　　 (b)與PMMA

10、板對GCr15鋼球配副相比，PMMA板對PMMA球配副的扭動微動混合區(qū)和滑移區(qū)向大角位移方向移動；在相同試驗條件下，磨痕深度和寬度后者(PMMA/PMMA)均比前者(PMMA/GCr15)要大，即磨損更嚴(yán)重；對于PMMA/GCr15摩擦副，磨損主要由產(chǎn)生銀紋的疲勞磨損機制控制，而對于PMMA/PMMA摩擦副，磨損則主要由形成犁溝的磨粒磨損機制控制。
　　 (c)與UHMWPE板對TC4鈦合金球配副相比，UHMWPE板對Al2O3

11、陶瓷球配副的扭動微動混合區(qū)和滑移區(qū)向小角位移方向移動；在相同試驗條件下，磨痕深度和寬度后者(UHMWPE/Al2O3)均比前者(UHMWPE/TC4)要大；然而，UHMWPE/TC4摩擦副的表面損傷更明顯，其磨損受磨粒磨損和疲勞磨損控制；對于UHMWPE/Al2O3摩擦副，扭動微動磨損機制主要為磨粒磨損。
　　 (四)牛天然活性軟骨的扭動微動運行和損傷行為
　　 對牛的天然活性軟骨/Al2O3陶瓷球在Ringer's溶液

12、中的扭動微動磨損研究發(fā)現(xiàn)：軟骨表現(xiàn)出與金屬材料和高聚物不同的動力學(xué)特性，例如增加法向載荷，接觸界面的相對滑移增加，摩擦扭矩的演變過程與其它材料不同；軟骨特殊的動力學(xué)行為可能與軟骨擠出物的潤滑作用有關(guān)；SEM觀察結(jié)合HE染色法分析表明軟骨的扭動微動磨損主要表現(xiàn)為疲勞磨損，并建立了其損傷的物理模型。
　　 (五)扭動微動接觸的有限元分析
　　 使用ANSYS軟件，建立了球一平面接觸條件下的扭動微動有限元模型。在彈性變形范圍內(nèi)