干態(tài)下扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)運(yùn)行及其損傷機(jī)理研究.pdf

1、在球/平面接觸條件下，微動(dòng)磨損可分為四種基本運(yùn)行模式，即：切向微動(dòng)、徑向微動(dòng)、扭動(dòng)微動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)。目前絕大多數(shù)的研究集中于切向微動(dòng)模式，實(shí)際的微動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜，往往是兩種或兩種以上基本模式耦合作用的結(jié)果。但至今有關(guān)復(fù)合微動(dòng)的研究報(bào)導(dǎo)較少，扭動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)相復(fù)合的微動(dòng)模式則更少。開展扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的研究，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)和深化復(fù)雜微動(dòng)損傷機(jī)理有重要意義，而且也能為眾多領(lǐng)域抗微動(dòng)損傷提供理論指導(dǎo)。
　　本研究基于高精度低速往復(fù)回轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)、可調(diào)式電

2、機(jī)安裝傾斜裝置和6-D力學(xué)傳感器，發(fā)明并成功研制出新型扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)裝置，真實(shí)模擬了球/平面接觸條件下的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果有很好的可比性和再現(xiàn)性。
　　本文在不同傾斜角度、角位移幅值、載荷水平和循環(huán)次數(shù)下，系統(tǒng)地開展了不同典型材料(LZ50中碳鋼、7075鋁合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))和兩種流體介質(zhì)(VG46潤(rùn)滑油和純水)下的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)。在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電

3、子能譜(EDX)、光電子能譜(XPS)、原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、雙模式表面形貌儀等進(jìn)行微觀分析，并結(jié)合摩擦振動(dòng)和噪聲的檢測(cè)和有限元模擬，系統(tǒng)揭示了扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行行為和損傷機(jī)理。
　　完成的主要研究?jī)?nèi)容和取得的主要結(jié)論如下：
　　(一)不同材料的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)運(yùn)行行為和損傷機(jī)理
　　針對(duì)LZ50中碳鋼、7075鋁合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，系統(tǒng)研究了其扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行和損傷行為。在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了3

4、種基本類型的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的動(dòng)力學(xué)曲線(Ft-θ曲線)，即直線型、橢圓型和平行四邊形型；研究建立了扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行工況微動(dòng)圖(RCFM)，結(jié)果表明傾斜角度、角位移幅值、循環(huán)次數(shù)、法向載荷及材料性質(zhì)等強(qiáng)烈地影響著扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域和損傷行為；結(jié)果表明Ft/Fn時(shí)變曲線和摩擦耗散能時(shí)變曲線在一定程度上均可以反映微動(dòng)的損傷特性和微動(dòng)分量的支配程度；扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱的損傷形貌，且扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)比單一模式的扭動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)更易導(dǎo)致材料的失效

5、；從表面損傷的角度看，剝層現(xiàn)象更加突出且偏愛于發(fā)生在中等傾斜角度下，相同角位移幅值下的磨痕最大深度和縱橫比均高于單一的扭動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)模式。此外，研究建立了針對(duì)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的表面損傷過程物理模型。
　　(二)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的局部疲勞與磨損的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制
　　(1)對(duì)LZ50鋼剖面分析表明：白層(TTS)的分布明顯地受微動(dòng)分量的影響，橫向裂紋易在微動(dòng)白層和塑性變形區(qū)的界面形成，在磨損過程中自層的演變與疲勞裂紋的形成和接觸表面的疲勞剝落

6、機(jī)制有密切的關(guān)系。
　　(2)對(duì)7075鋁合金的剖面分析表明，在不同的微動(dòng)區(qū)域損傷呈現(xiàn)完全不同的特征。在部分滑移區(qū)，復(fù)合微動(dòng)作用下極易導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生并主要沿平行于接觸表面方向擴(kuò)展，該區(qū)域微動(dòng)損傷主要表現(xiàn)為局部疲勞。在混合區(qū)，裂紋擴(kuò)展特性非常復(fù)雜，當(dāng)微動(dòng)損傷主要受扭動(dòng)分量控制時(shí)，疲勞裂紋主要分布于環(huán)狀磨損區(qū)下，裂紋分叉現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)微動(dòng)損傷主要受轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制時(shí)，疲勞裂紋主要位于接觸中心黏著區(qū)兩側(cè)，裂紋擴(kuò)展方向相對(duì)單一并呈對(duì)稱特征。

7、在混合區(qū)，裂紋的擴(kuò)展速率高于材料的磨損速率，微動(dòng)損傷表現(xiàn)為局部疲勞明顯強(qiáng)于局部磨損。在滑移區(qū)，磨痕形貌主要呈“U”型凹坑狀，裂紋的擴(kuò)展速率低于磨損率，無明顯的向基體內(nèi)擴(kuò)展的裂紋形成。
　　(3)研究發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)狀態(tài)下可以形成兩類不同類型的局部隆起，并揭示了兩類不同隆起的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的形成與接觸區(qū)局部隆起密切相關(guān)，分別建立了兩種微動(dòng)分量控制下接觸區(qū)局部隆起及疲勞裂紋形成過程的物理模型。
　　(三)扭轉(zhuǎn)摩擦磨損的摩

8、擦振動(dòng)與噪聲分析
　　為了建立損傷機(jī)制和摩擦振動(dòng)/噪聲信號(hào)間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步揭示扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的損傷機(jī)制，本研究利用摩擦振動(dòng)/噪聲檢測(cè)對(duì)PMMA的扭轉(zhuǎn)摩擦磨損過程進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：
　　(1)在部分滑移狀態(tài)下，由于接觸界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要由彈性變形協(xié)調(diào)，微動(dòng)作用并未激發(fā)出明顯的可檢測(cè)到的摩擦振動(dòng)/噪聲信號(hào)。在完全滑移狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)材料的損傷行為與振動(dòng)/噪聲信號(hào)間有密切的關(guān)系。如：表面損傷程度與摩擦振動(dòng)/噪聲信號(hào)的事件數(shù)密

9、切相關(guān)；局部隆起加劇了切向的摩擦振動(dòng)；疲勞裂紋的形成在一定程度上能有效抑制切向振動(dòng)；磨粒磨損對(duì)噪聲和切向振動(dòng)信號(hào)均有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)等。通過小波分析發(fā)現(xiàn)，在不同的微動(dòng)階段，振動(dòng)和噪聲信號(hào)隨損傷機(jī)制的變化表現(xiàn)出完全不同的演變特征。
　　(2)研究發(fā)現(xiàn)，在微動(dòng)和往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，摩擦振動(dòng)和噪聲信號(hào)也表現(xiàn)出截然不同的特征。主要變現(xiàn)在事件數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變；摩擦振動(dòng)/噪聲信號(hào)幅值的大小和分布位置的變化等。研究發(fā)現(xiàn)摩擦振動(dòng)/噪聲信號(hào)可以作為判定