劉 兵，何國球，蔣小松，朱旻昊

（1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.上海市金屬功能材料開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

機(jī)械系統(tǒng)和工程設(shè)備經(jīng)常在有機(jī)械振動(dòng)的環(huán)境中服役，其構(gòu)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(duì)位移滑動(dòng).在機(jī)械工程中人們稱這種由于接觸部位同時(shí)存在周期性振動(dòng)和微小幅度的往復(fù)滑動(dòng)為微動(dòng)，微動(dòng)造成的摩擦磨損使構(gòu)件加速失效的疲勞破壞過程稱為微動(dòng)疲勞（fretting fatigue，F(xiàn)F）[1－3].微動(dòng)疲勞的早期是一種摩擦磨損行為[4]，破壞機(jī)械構(gòu)件表面材料的完整性，從而促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，并使其加速擴(kuò)展，使零構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度及壽命大幅度降低[5－7].微動(dòng)疲勞現(xiàn)象廣泛地存在于各類機(jī)械和結(jié)構(gòu)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(jī)、纜線連接部位等.微動(dòng)疲勞問題已引起工程界的廣泛關(guān)注.影響微動(dòng)疲勞的參量較多[12]，而且這些參量又互相影響，目前對(duì)于微動(dòng)疲勞機(jī)理的認(rèn)識(shí)還較模糊，使得在設(shè)計(jì)中對(duì)微動(dòng)疲勞進(jìn)行有效的預(yù)防還存在困難.因此對(duì)微動(dòng)疲勞的機(jī)理進(jìn)行研究具有重大的實(shí)際意義.目前，人們對(duì)材料在單軸拉伸循環(huán)載荷下的微動(dòng)疲勞特性進(jìn)行了大量的研究工作，而對(duì)材料在多軸復(fù)合載荷作用下的微動(dòng)疲勞特性研究還較少.

35Cr Mo A鋼是目前我國廣泛應(yīng)用的低合金高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度和淬透性較高，在鐵道車輛、汽車拖拉機(jī)工業(yè)中作為承受較大負(fù)荷的結(jié)構(gòu)部件，經(jīng)常受到與之接觸部件的交變振動(dòng)接觸應(yīng)力而產(chǎn)生微動(dòng)疲勞.本文采用柱面對(duì)柱面的接觸方式研究35Cr Mo A鋼在拉扭復(fù)合載荷作用下的多軸低周微動(dòng)疲勞特性，通過光學(xué)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(shí)驗(yàn)材料及方法

試樣材料為35Cr Mo A，其化學(xué)成分如表1所示.試樣在830℃保溫20 min、油淬、再進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w.這種組織使材料強(qiáng)度較高、韌性良好.在MTS809型多軸微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料的拉伸力學(xué)性能，其結(jié)果如表2所示.熱處理后的材料經(jīng)機(jī)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)橋的材料、熱處理及加工方法均與試樣相同，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試樣和微動(dòng)橋腳用丙酮清洗.

表1 材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the material used

圖1 微動(dòng)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(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the material used

拉扭微動(dòng)疲勞在改進(jìn)后的MTS－809疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（圖2a）.實(shí)驗(yàn)加載示意如圖2b所示.兩微動(dòng)橋在接觸壓力P1的作用下均勻?qū)ΨQ地壓在試樣兩邊，實(shí)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(dòng)橋和試樣的接觸面間產(chǎn)生微小位移幅度的相對(duì)滑動(dòng).

本實(shí)驗(yàn)采用圖3所示的橢圓形路徑加載，圖中n為試驗(yàn)周期數(shù)，T′為周期，τ為剪切應(yīng)力，σ為軸向應(yīng)力，相位角φ＝90°，軸向應(yīng)力幅σa＝400 MPa，應(yīng)力比ra＝0.1.扭矩載荷在試樣表面產(chǎn)生的切向剪應(yīng)力幅τa＝350 MPa，應(yīng)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(yīng)力大小P1＝300 MPa.微動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滯后回線在微動(dòng)疲勞過程中的演變

圖4所示為微動(dòng)疲勞過程中的開始階段和結(jié)束階段的軸向應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線.由于這時(shí)的軸向正應(yīng)力幅值為400 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)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(nèi)耗使材料在彈性變形階段應(yīng)變落后于應(yīng)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(nèi)耗所吸收的不可逆功.在整個(gè)循環(huán)加載過程中試樣的應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線都很窄，說明材料在微動(dòng)疲勞過程中的塑性應(yīng)變小，消耗的不可逆功少，彈性功大.可見軸向循環(huán)載荷對(duì)材料的損傷較小.

圖5所示為微動(dòng)疲勞過程中的開始階段和結(jié)束階段的扭轉(zhuǎn)角與扭矩滯后回線.在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)扭矩達(dá)到最大值時(shí)在材料表面產(chǎn)生的切向剪切應(yīng)力幅值為350 MPa，這時(shí)扭轉(zhuǎn)角與扭矩滯后回線較寬，扭轉(zhuǎn)角滯后于扭矩的現(xiàn)象很明顯.因此扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使材料內(nèi)耗所吸收的不可逆功較多，對(duì)材料的疲勞損傷嚴(yán)重.也說明了此時(shí)的剪切應(yīng)力顯著影響了材料的疲勞失效行為.

2.2 應(yīng)變及扭轉(zhuǎn)角幅值在微動(dòng)疲勞過程中的演變

圖6a給出了軸向應(yīng)變?cè)谖?dòng)疲勞過程中的演變情況.可以看出，在實(shí)驗(yàn)開始后，軸向載荷需要10個(gè)循環(huán)周期才能達(dá)到目標(biāo)值，然后處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài).而在100個(gè)循環(huán)周期后，材料的應(yīng)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(jié)果.而在104個(gè)循環(huán)周期后材料又開始發(fā)生硬化現(xiàn)象，這時(shí)軸向應(yīng)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(cuò)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有關(guān).對(duì)于強(qiáng)度較高的材料，強(qiáng)化相在循環(huán)載荷的作用下位相會(huì)發(fā)生改變，它們對(duì)位錯(cuò)的釘扎效果降低，使得一些滑移系開動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為材料的軟化.隨著位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)又會(huì)發(fā)生相互作用，并糾結(jié)在一起，阻礙其運(yùn)動(dòng)，使材料發(fā)生硬化現(xiàn)象.

圖6b給出了扭轉(zhuǎn)角幅值在微動(dòng)疲勞過程中的演變情況.從圖中看出扭矩也需數(shù)十個(gè)周期才能達(dá)到目標(biāo)值，轉(zhuǎn)角的幅值也應(yīng)該在扭矩達(dá)到目標(biāo)值時(shí)保持穩(wěn)定，但實(shí)際情況并不是這樣.圖中表明，扭轉(zhuǎn)角的極小值會(huì)在100個(gè)循環(huán)周次時(shí)達(dá)到最小，然后逐漸增大，與極大值同時(shí)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(gè)循環(huán)周期內(nèi)，前0.5個(gè)周期的軸向應(yīng)力要比后0.5個(gè)周期內(nèi)的軸向應(yīng)力大，因此試樣的伸長量也大，在相同的切向應(yīng)力作用下，造成的扭轉(zhuǎn)角幅值也較大.因此使圖6b中的扭轉(zhuǎn)角向正方向偏移.

2.3 微動(dòng)磨損特征

圖7是不同放大倍數(shù)下的微動(dòng)摩擦磨損斑的SEM照片.從圖7a中可以看出，在微動(dòng)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(zhì)顆粒.而在500倍的放大圖像下發(fā)現(xiàn)微動(dòng)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(dòng)橋的亞表層材料直接接觸，它們具有較高化學(xué)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(shí)，微動(dòng)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(duì)位移增大，粘著的亞表層材料又被撕裂，這就形成了細(xì)小的微動(dòng)斑.試樣表層材料部分被撕裂、脫落并迅速被氧化成硬質(zhì)顆粒.這些硬質(zhì)氧化物磨屑在微動(dòng)摩擦表面運(yùn)動(dòng)也會(huì)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(dòng)磨損就是微動(dòng)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(huì)誘發(fā)疲勞微裂紋的萌生.

2.4 微動(dòng)疲勞斷口特征

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，35Cr Mo A鋼的拉扭微動(dòng)疲勞裂紋萌生點(diǎn)發(fā)生在微動(dòng)區(qū)和未微動(dòng)區(qū)的交界處，如圖8a所示.圖8b是微動(dòng)磨損區(qū)域所受應(yīng)力模型的示意圖，在微動(dòng)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(yīng)力之外，還受到微動(dòng)橋的接觸壓力P1和微動(dòng)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(diǎn)）的內(nèi)側(cè)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使微動(dòng)疲勞裂紋在該處萌生，因此試驗(yàn)中所有試件的主裂紋及開裂部位都集中在壓腳內(nèi)側(cè)的微動(dòng)與未微動(dòng)的交界處.

由于材料受到的剪切應(yīng)力較大，疲勞裂紋萌生后就迅速擴(kuò)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(tái)階，它們是裂紋在剪切應(yīng)力作用下擴(kuò)展而形成的，如圖9所示.雖然此時(shí)斷口形貌特征顯示為剪應(yīng)力致疲勞失效，但微動(dòng)摩擦磨損對(duì)疲勞累積損傷的影響很大，并直接導(dǎo)致疲勞裂紋萌生于微動(dòng)斑的邊緣處，這是材料疲勞強(qiáng)度降低的主要原因.微動(dòng)疲勞的實(shí)質(zhì)就是微動(dòng)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(qiáng)度降低.

3 結(jié)論

通過在微動(dòng)裝置上對(duì)35Cr Mo A合金材料施加拉扭復(fù)合疲勞載荷，發(fā)現(xiàn)微動(dòng)摩擦磨損對(duì)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(yīng)力對(duì)35Cr Mo A合金材料的破壞比軸向循環(huán)正應(yīng)力對(duì)材料的破壞更嚴(yán)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(zhuǎn)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(dòng)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(shí)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(nèi)側(cè)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使微動(dòng)疲勞裂紋在該處萌生，導(dǎo)致試件的主裂紋及開裂部位都集中在試樣微動(dòng)與未微動(dòng)的交界處.

（4）由于材料受到的剪切應(yīng)力較大，疲勞壽命也較短，微動(dòng)裂紋萌生后就迅速擴(kuò)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(tái)階.

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