微動損傷及其防護(hù)

1、微動損傷及其防護(hù)衛(wèi)中山漢勝工業(yè)設(shè)備(上海)有限公司摘要：介紹了微動的危害及其損傷機(jī)理，分析了微動損傷的影響因素以及防護(hù)方法，綜述了采用表面技術(shù)提高金屬材料微動損傷抗力的研究與應(yīng)用。關(guān)鍵詞：微動損傷；微動圖；表面技術(shù)微動是指在機(jī)械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環(huán)等交變載荷作用下，接觸表面間發(fā)生的振幅極小的相對運(yùn)動(位移幅度一般為微米量級)，這些接觸表面名義上是靜止的，即微動發(fā)生在“緊固”配合的機(jī)械部件中。微動不僅可以導(dǎo)致表面磨損，引起配合

2、面咬合、松動、電阻增加、噪聲或環(huán)境污染等，還會加速裂紋的萌生和擴(kuò)展，使工件的疲勞壽命大大降低。3j。微動作用通常使材料的疲勞極限降低20％～50％，有時甚至降低得更多HJ。微動破壞過程中，微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕都有可能發(fā)生，當(dāng)某一損傷形式占主導(dǎo)地位時，最終便表現(xiàn)為這一損傷失效模式。這樣，隨著微動條件的變化，微動失效模式的變換也是可能的。1微動實(shí)例微動損傷現(xiàn)象普遍存在于各類緊配合構(gòu)件中，代表性的場合有：(1)鉚釘、螺紋和銷軸連接件。

3、如鉚釘頭與板之間、兩塊被鉚板之間、鉚釘側(cè)面和板孔之間都是容易發(fā)生微動損傷的位置。(2)榫槽和花鍵配合。(3)過盈配合。熱套配合和壓配合的配合面，軸承和軸承座之間、軸瓦和座孔之間的過盈配合面等，名義上是靜止的，但在交變載荷下，都可能產(chǎn)生微動，出現(xiàn)微動損傷。(4)緊固和夾持機(jī)構(gòu)。如斜拉鋼索在夾持器邊緣產(chǎn)生的微動磨損和微動疲勞。(5)振動環(huán)境中的零件。如高空電纜及其懸掛機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、汽車板簧、運(yùn)輸中的滾動軸承和金屬板卷等。(188》2微動損傷

4、理論周仲榮51等基于球平面接觸微動磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了“運(yùn)行工況微動圖”來描述微動接觸區(qū)相對運(yùn)動狀況，“材料響應(yīng)微動圖”來描述與運(yùn)行工況微動圖相對應(yīng)的材料損傷形式，如圖l所示。這兩個圖的邊界不一定完全重合。從圖1(a)可看出，在極小的位移或較大的接觸應(yīng)力下，微動過程處于部分滑移區(qū)，接觸表面間的運(yùn)動靠表面層的彈性變形來實(shí)現(xiàn)；反之，微動過程處于滑移區(qū)；混合區(qū)介于二者之間。圖l(b)顯示，材料的磨損主要發(fā)生薈R廈燃冬R廈燃位移，斗ma運(yùn)行工況

5、微動圖位移／pmb材料響應(yīng)微動圖圈1微動圖(2091鋁合金)機(jī)械與密封的微動疲勞性能。非金屬涂層也有軟、硬之分。軟質(zhì)非金屬涂層主要指固體潤滑劑涂層及有機(jī)涂層，其特點(diǎn)是柔韌性好，摩擦系數(shù)小。有機(jī)涂層具有良好的潤滑、減摩效果，可以用來提高金屬材料的微動疲勞性能，如聚四氟乙烯(PTFE)涂層使鈦合金微動疲勞強(qiáng)度提高了40％L10]。有機(jī)粘結(jié)MoS，、石墨等固體潤滑劑用于鈦合金葉片榫頭的微動疲勞防護(hù)是航空發(fā)動機(jī)工業(yè)廣泛采用的方法，在其使用溫度范

6、圍內(nèi)能有效地提高鈦合金的微動疲勞性能。針對鐵路機(jī)車柴油機(jī)連桿與連桿蓋齒型配合面上經(jīng)常出現(xiàn)的齒根裂紋問題，在配合面上噴涂粘結(jié)MoS：涂層，有效提高了抗微動磨損性能，使用效果良好。硬質(zhì)非金屬涂層主要是一些陶瓷類涂層，如等離子噴涂陶瓷粉末涂層、離子鍍硬質(zhì)膜、濺射陶瓷涂層及類金剛石膜等。磁控濺射TiC、TiB，等膜層對金屬材料的抗微動損傷也有較好的效果。電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍等工藝的膜基結(jié)合強(qiáng)度較低，并有氫脆隱患、降低常規(guī)疲勞強(qiáng)度、環(huán)境污染等問題

7、，一般不宜使用。34高能束表面處理激光淬火可以細(xì)化金屬材料的表層組織，提高表面硬度，降低摩擦系數(shù)，還在改性層形成殘余壓應(yīng)力，故能有效減緩微動損傷。張明川的研究表明，激光掃描表面處理使TC4鈦合金的微動疲勞壽命比未處理試樣提高了35％。金屬蒸汽真空弧離子源離子注入是上世紀(jì)末發(fā)展起來的新技術(shù)，可以根據(jù)工藝需要引出各種強(qiáng)流金屬離子束，不僅能在材料表面產(chǎn)生間隙原子、空穴、位錯等輻照損傷、增強(qiáng)擴(kuò)散、超飽和固溶體等效應(yīng)，還具有表面自潤滑和表面拋光作

8、用。210“／cm2劑量的Mo離子注入TC4鈦合金，可使其微動磨損體積比未處理試樣減少43％引。35復(fù)合表面技術(shù)微動的特點(diǎn)是既有接觸條件下的微動磨損作用，又承受疲勞載荷，減緩其破壞的難點(diǎn)在于抗磨損和提高疲勞強(qiáng)度的措施往往是互相矛盾的。在既要抗磨又要提高疲勞強(qiáng)度時，可考慮復(fù)合處理。例如，在合金表面制備CrN、CuNiln膜層，然后進(jìn)行噴丸處理，其效果優(yōu)于單一噴丸者。單純滲氮處理有損于鈦合金的微動疲勞抗力，但以噴丸強(qiáng)化為其后處理(190》時

9、，則可達(dá)到聯(lián)合提高合金微動疲勞抗力的目的。這是由于滲氮層有良好的減摩抗磨性能，而噴丸層可有效地阻止裂紋擴(kuò)展‘131。4結(jié)束語微動損傷看似非常特殊、狹窄，其實(shí)十分普遍。因早期損傷很難被檢測到，所以其破壞具有隱蔽性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時有可能已發(fā)生災(zāi)難性后果。深入研究微動損傷機(jī)理，推廣基礎(chǔ)研究成果在工業(yè)中的應(yīng)用，加強(qiáng)對典型機(jī)械構(gòu)件中的微動損傷研究，合理選材，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法選用合適的表面工程技術(shù)，有效提高材料的微動損傷抗力，具有重要的

10、現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)[1]周仲榮，朱曼吳復(fù)合微動磨損[M]上海：上海交通大學(xué)出版社。2004[2]陳躍良，楊茂勝，胡家林飛機(jī)結(jié)構(gòu)搭接件微動疲勞研究的關(guān)鍵技術(shù)[J]海軍航空工程學(xué)院學(xué)報。2008，23(4)：361366[3]黃偉九，陳安華，侯濱AMrOB鎂合金在滑移區(qū)的微動磨損行為研究[J]武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，26(9)：2326[4]劉道新，何家文微動疲勞影響因素及鈦合金微動疲勞行為[J]航空學(xué)報，2001，22(5)：4544

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