多軸微動疲勞損傷行為

劉 兵，何國球，蔣小松，朱旻昊

（1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804；2.上海市金屬功能材料開發(fā)應用重點實驗室，上海 201804；3.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

機械系統(tǒng)和工程設備經(jīng)常在有機械振動的環(huán)境中服役，其構件在連接處存在接觸壓力，則接觸表面在循環(huán)載荷作用下發(fā)生微小幅度的相對位移滑動.在機械工程中人們稱這種由于接觸部位同時存在周期性振動和微小幅度的往復滑動為微動，微動造成的摩擦磨損使構件加速失效的疲勞破壞過程稱為微動疲勞（fretting fatigue，F(xiàn)F）[1－3].微動疲勞的早期是一種摩擦磨損行為[4]，破壞機械構件表面材料的完整性，從而促進疲勞裂紋的萌生，并使其加速擴展，使零構件的疲勞強度及壽命大幅度降低[5－7].微動疲勞現(xiàn)象廣泛地存在于各類機械和結構中[8－10]，如部件的過盈配合、燕尾槽、螺栓連接、輪軸連接、鍵槽連接、汽輪機、纜線連接部位等.微動疲勞問題已引起工程界的廣泛關注.影響微動疲勞的參量較多[12]，而且這些參量又互相影響，目前對于微動疲勞機理的認識還較模糊，使得在設計中對微動疲勞進行有效的預防還存在困難.因此對微動疲勞的機理進行研究具有重大的實際意義.目前，人們對材料在單軸拉伸循環(huán)載荷下的微動疲勞特性進行了大量的研究工作，而對材料在多軸復合載荷作用下的微動疲勞特性研究還較少.

35Cr Mo A鋼是目前我國廣泛應用的低合金高強度鋼，強度和淬透性較高，在鐵道車輛、汽車拖拉機工業(yè)中作為承受較大負荷的結構部件，經(jīng)常受到與之接觸部件的交變振動接觸應力而產(chǎn)生微動疲勞.本文采用柱面對柱面的接觸方式研究35Cr Mo A鋼在拉扭復合載荷作用下的多軸低周微動疲勞特性，通過光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察并分析討論了摩擦磨損表面和斷口形貌特征.

1 實驗材料及方法

試樣材料為35Cr Mo A，其化學成分如表1所示.試樣在830℃保溫20 min、油淬、再進行500℃回火30 min處理，所得金相組織如圖1所示.35Cr Mo A合金鋼含碳量較高，且在熱處理工藝中采用了較高的回火溫度，其金相組織轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w.這種組織使材料強度較高、韌性良好.在MTS809型多軸微動疲勞試驗機上測試材料的拉伸力學性能，其結果如表2所示.熱處理后的材料經(jīng)機加工至所需尺寸，采用沿縱向磨削及拋光的工藝方法以避免試樣上殘留橫向刀痕對實驗結果的干擾，試樣表面最終經(jīng)打磨至表面粗糙度Ra≤0.16.

微動橋的材料、熱處理及加工方法均與試樣相同，實驗前對試樣和微動橋腳用丙酮清洗.

表1 材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of the material used

圖1 微動疲勞試樣的金相組織Fig.1 Microstructure of the 35Cr Mo A specimen used in this experimental effort

表2 材料的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the material used

拉扭微動疲勞在改進后的MTS－809疲勞試驗機上進行（圖2a）.實驗加載示意如圖2b所示.兩微動橋在接觸壓力P1的作用下均勻對稱地壓在試樣兩邊，實現(xiàn)柱面與柱面接觸.在循環(huán)軸向載荷P2和切向扭矩載荷T的作用下，微動橋和試樣的接觸面間產(chǎn)生微小位移幅度的相對滑動.

本實驗采用圖3所示的橢圓形路徑加載，圖中n為試驗周期數(shù)，T′為周期，τ為剪切應力，σ為軸向應力，相位角φ＝90°，軸向應力幅σa＝400 MPa，應力比ra＝0.1.扭矩載荷在試樣表面產(chǎn)生的切向剪應力幅τa＝350 MPa，應力比rt＝－1.軸向和切向加載波形為正弦波，頻率均為3 Hz，接觸正應力大小P1＝300 MPa.微動疲勞失效后，在 HITACHIS2360N型掃描電鏡上觀察磨損表面形貌.

圖3 多軸疲勞加載路徑示意Fig.3 Schematic of multi－axial cyclic loading path

2 實驗結果與分析

2.1 滯后回線在微動疲勞過程中的演變

圖4所示為微動疲勞過程中的開始階段和結束階段的軸向應力－應變滯后回線.由于這時的軸向正應力幅值為400 MPa，遠小于材料的屈服強度，在疲勞過程中不發(fā)生塑性變形，僅發(fā)生彈性變形.但是金屬材料的內耗使材料在彈性變形階段應變落后于應力的發(fā)生，產(chǎn)生如圖5所示的彈性滯后環(huán)，滯后環(huán)的面積等于材料內耗所吸收的不可逆功.在整個循環(huán)加載過程中試樣的應力－應變滯后回線都很窄，說明材料在微動疲勞過程中的塑性應變小，消耗的不可逆功少，彈性功大.可見軸向循環(huán)載荷對材料的損傷較小.

圖5所示為微動疲勞過程中的開始階段和結束階段的扭轉角與扭矩滯后回線.在實驗過程中，當扭矩達到最大值時在材料表面產(chǎn)生的切向剪切應力幅值為350 MPa，這時扭轉角與扭矩滯后回線較寬，扭轉角滯后于扭矩的現(xiàn)象很明顯.因此扭轉產(chǎn)生的剪切應力使材料內耗所吸收的不可逆功較多，對材料的疲勞損傷嚴重.也說明了此時的剪切應力顯著影響了材料的疲勞失效行為.

2.2 應變及扭轉角幅值在微動疲勞過程中的演變

圖6a給出了軸向應變在微動疲勞過程中的演變情況.可以看出，在實驗開始后，軸向載荷需要10個循環(huán)周期才能達到目標值，然后處于一個比較穩(wěn)定的狀態(tài).而在100個循環(huán)周期后，材料的應變幅值逐漸變大，這是材料在循環(huán)載荷作用下開始軟化的結果.而在104個循環(huán)周期后材料又開始發(fā)生硬化現(xiàn)象，這時軸向應變幅值又開始下降.材料的循環(huán)軟化和硬化與材料微觀位錯結構的運動有關.對于強度較高的材料，強化相在循環(huán)載荷的作用下位相會發(fā)生改變，它們對位錯的釘扎效果降低，使得一些滑移系開動，宏觀上表現(xiàn)為材料的軟化.隨著位錯的運動又會發(fā)生相互作用，并糾結在一起，阻礙其運動，使材料發(fā)生硬化現(xiàn)象.

圖6b給出了扭轉角幅值在微動疲勞過程中的演變情況.從圖中看出扭矩也需數(shù)十個周期才能達到目標值，轉角的幅值也應該在扭矩達到目標值時保持穩(wěn)定，但實際情況并不是這樣.圖中表明，扭轉角的極小值會在100個循環(huán)周次時達到最小，然后逐漸增大，與極大值同時向正方向偏移.這種現(xiàn)象是由加載路徑的相位角造成的.從圖3可見，在每個循環(huán)周期內，前0.5個周期的軸向應力要比后0.5個周期內的軸向應力大，因此試樣的伸長量也大，在相同的切向應力作用下，造成的扭轉角幅值也較大.因此使圖6b中的扭轉角向正方向偏移.

2.3 微動磨損特征

圖7是不同放大倍數(shù)下的微動摩擦磨損斑的SEM照片.從圖7a中可以看出，在微動摩擦磨損表面出現(xiàn)大量滑擦、碾壓和抹平的痕跡，表面附著一些褐色的硬質顆粒.而在500倍的放大圖像下發(fā)現(xiàn)微動斑是由一些更小的斑痕所組成，如圖7b所示.這些微小斑痕是材料在摩擦磨損過程中形成的.由于材料的表面氧化層破裂，試樣和微動橋的亞表層材料直接接觸，它們具有較高化學活性，在摩擦力和正壓力的作用下發(fā)生了粘著現(xiàn)象.同時，微動區(qū)表面凸起部位在法向載荷作用下不斷碰撞并發(fā)生冷焊作用.隨著相對位移增大，粘著的亞表層材料又被撕裂，這就形成了細小的微動斑.試樣表層材料部分被撕裂、脫落并迅速被氧化成硬質顆粒.這些硬質氧化物磨屑在微動摩擦表面運動也會留下擦傷的溝槽形貌.從高倍SEM照片中還可以看出，摩擦表面被由大量磨屑形成的磨屑床覆蓋，這是磨粒磨損的顯著特征.總之，微動磨損就是微動造成接觸損傷，破壞材料表層的完整性或使表層材料損失的過程.這種破壞方式會誘發(fā)疲勞微裂紋的萌生.

2.4 微動疲勞斷口特征

試驗中發(fā)現(xiàn)，35Cr Mo A鋼的拉扭微動疲勞裂紋萌生點發(fā)生在微動區(qū)和未微動區(qū)的交界處，如圖8a所示.圖8b是微動磨損區(qū)域所受應力模型的示意圖，在微動區(qū)間AB之間，除了受循環(huán)軸向載荷P2和切向扭矩產(chǎn)生的剪切應力之外，還受到微動橋的接觸壓力P1和微動摩擦表面間的摩擦力Pf的作用.這樣，在壓腳與試件接觸邊緣（如圖8b中B點）的內側處產(chǎn)生應力集中，促使微動疲勞裂紋在該處萌生，因此試驗中所有試件的主裂紋及開裂部位都集中在壓腳內側的微動與未微動的交界處.

由于材料受到的剪切應力較大，疲勞裂紋萌生后就迅速擴展，使材料發(fā)生斷裂失效，疲勞壽命較短，因此斷口上沒有留下疲勞輝紋，只可見呈放射狀的斷裂臺階，它們是裂紋在剪切應力作用下擴展而形成的，如圖9所示.雖然此時斷口形貌特征顯示為剪應力致疲勞失效，但微動摩擦磨損對疲勞累積損傷的影響很大，并直接導致疲勞裂紋萌生于微動斑的邊緣處，這是材料疲勞強度降低的主要原因.微動疲勞的實質就是微動誘發(fā)微裂紋的產(chǎn)生，縮短材料的裂紋萌生壽命，加速材料的斷裂失效過程，致使材料的總疲勞壽命縮短或疲勞強度降低.

3 結論

通過在微動裝置上對35Cr Mo A合金材料施加拉扭復合疲勞載荷，發(fā)現(xiàn)微動摩擦磨損對材料的疲勞斷裂失效行為具有顯著影響：

（1）切向循環(huán)剪應力對35Cr Mo A合金材料的破壞比軸向循環(huán)正應力對材料的破壞更嚴重.在疲勞過程前期材料發(fā)生循環(huán)軟化，而在疲勞過程后期發(fā)生硬化.多軸加載路徑的相位角使扭轉角的極大值和極小值在循環(huán)過程中向正方向偏移.

（2）微動摩擦磨損斑是由一些更小的斑痕所組成，表面有粘著和氧化現(xiàn)象發(fā)生，同時摩擦表面被由大量磨屑形成的磨屑床覆蓋.

（3）在壓腳與試樣接觸邊緣的內側處產(chǎn)生應力集中，促使微動疲勞裂紋在該處萌生，導致試件的主裂紋及開裂部位都集中在試樣微動與未微動的交界處.

（4）由于材料受到的剪切應力較大，疲勞壽命也較短，微動裂紋萌生后就迅速擴展，致使材料發(fā)生斷裂失效，斷口上沒有留下疲勞輝紋，只可見呈放射狀的斷裂臺階.

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