第1章 概述

1.1 微動疲勞的基本概念

1.1.1 微動疲勞的概念和基本術語

當相互接觸的兩彈性體處于振動工況時，雖然在法向（接觸面法線方向）載荷的作用下，從宏觀層面上接觸表面保持“近似緊固”的狀態，但在微觀層面，由于切向（接觸面平行方向）載荷以及兩彈性體非協同形變的作用，會在接觸區局部產生相對的滑動，這一相對滑動一般為微米量級，稱之為“微動”（fretting）。如圖1.1所示，由于微動的存在，機械零部件接觸表面發生磨損，或引起疲勞裂紋的萌生與擴展，最終導致整個機械連接結構的失效。

微動疲勞（fretting fatigue）是指在交變載荷作用下，相互接觸的兩表面間發生微小的滑動（一般其位移量為微米級，通常在幾微米到幾百微米之間），進而加速疲勞裂紋的萌生和擴展，導致疲勞失效的現象。由微動磨損導致接觸表面的損傷，在交變載荷的作用下，更容易發生疲勞破壞。相同試件的疲勞試驗，存在微動作用時的疲勞壽命比不存在微動作用時的疲勞壽命降低30%～50%。對大量試驗數據的研究發現，微動條件下材料的疲勞極限會降低到普通疲勞極限的1/4。羅爾斯·羅伊斯公司（Rolls-Royce）對航空發動機的一些關鍵零件的研究表明，微動損傷導致構件的使用壽命下降約30%，特別是對長壽命構件的影響更嚴重。微動疲勞造成的失效在工業領域廣泛存在，絕大多數的機械緊密配合，如螺栓連接、榫連接、鉚連接和花鍵連接等都易發生微動疲勞現象。

由于微動現象與機理的復雜性，對微動問題的研究又分為微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕等幾個研究方向，不同學者對微動概念的理解也有所不同。為便于表述和開展研究工作，本書以美國材料與試驗協會（ASTM）規定的術語為準，一些主要名詞和術語說明如下：

微動（fretting）：微小振幅的往復運動，通常為兩接觸表面的切向運動。

微動損傷（fretting damage）：由微動引起的接觸表面的凹陷、劃痕、剝落以及材料的轉移。

微動疲勞（fretting fatigue）：在微動和脈動應力與應變共同作用下的微動損傷位置的裂紋形成、擴展及完全斷裂的過程。

常規疲勞（plain fatigue）：一般用來描述不存在微動情況的疲勞問題。

微動磨損（fretting wear）：由于微動引起的磨損。

法向載荷（normal force）：接觸界面法線方向的載荷。

切向牽引力（tangential force）：與接觸界面平行的作用力。

滑移（slip）：接觸表面的局部滑動。

部分滑移（partical slip）：在一個加載循環中，接觸體的接觸面上只有部分發生相對滑動的接觸狀態。

全局滑移（gross slip）：在一個加載循環中，接觸體的接觸面上所有對應點都發生相對滑動的接觸狀態。

滑移量（displacement amplitude）：峰-峰相對位移除以2或總循環位移除以4。

1.1.2 微動疲勞的損傷機理及其與微動磨損的區別和聯系

微動疲勞是在微動損傷影響下的疲勞破壞。已有的研究表明，微動在大多數情況下影響裂紋的成核、微裂紋的萌生、微裂紋擴展、宏觀裂紋的形成和早期擴展，為微動裂紋的萌生和擴展提供了推動力。從宏觀上講，推動力包括：

（1）微動時作用在接觸表面的切向力產生的剪切應力。根據剪切互等定理，材料微元體所受的剪切應力有兩組，分別平行和垂直于接觸表面。平行于接觸表面的剪切應力引起平行于表面的裂紋，并在此方向上擴展，導致材料的脫層損失；垂直于表面的剪切應力引起垂直于接觸表面的裂紋，并在垂直方向上擴展，形成疲勞裂紋。

（2）微動表面的接觸壓力。在接觸區材料內部形成剪切應力和拉應力，促使在其作用方向上的裂紋萌生和擴展，對疲勞損傷起主要作用。

（3）受力結構承受的遠端軸向載荷。發生微動疲勞破壞的構件一般情況下會承受平行于微動滑移方向的載荷作用，這種載荷與微動共同作用，是微動疲勞裂紋萌生和擴展的主要動力之一。

Sproles等對前人的研究成果進行了總結，提出了一個裂紋萌生模型，如圖1.2所示。這一模型將微動疲勞裂紋的萌生過程分為4個階段：

（1）由于接觸表面微動摩擦力的作用形成深度為20μm左右的平行和垂直于表面的微裂紋層。

（2）微裂紋擴展形成表面脫層，進而形成磨屑。

（3）由于裂紋的增加形成深達50μm的深坑，疲勞裂紋從此處產生。

（4）經歷脫層和磨損的表面應力分布復雜，形成不同方向的裂紋。

在裂紋萌生的初始階段，往往會在深坑的底部形成多條微裂紋，在微動磨損的作用下，大部分微裂紋被磨掉，無法形成擴展型裂紋。只有少數裂紋在外加載荷的作用下形成最終的擴展型裂紋。這一過程又可分為兩個階段：

（1）在微動力和外加載荷的作用下向深度方向擴展。一般表現為裂紋沿與接觸面傾斜的方向擴展。

（2）當裂紋達到一定深度后，微動作用逐漸減弱，對裂紋的進一步擴展已不起作用，從此裂紋擴展只受遠端外載荷的作用。裂紋轉向與接觸面垂直的方向。

典型的微動疲勞裂紋擴展狀態如圖1.3所示。

作為一個接觸問題，微動不可避免地涉及摩擦學和機械強度學等學科，因此談到微動引起的疲勞問題時，不可避免地涉及接觸表面的磨損問題。實際上微動現象正是磨損、疲勞等現象共同作用的結果。為了降低研究難度，研究者分別應用機械強度學和摩擦學的研究方法對微動問題開展研究工作，這就形成了所謂的“微動疲勞”和“微動磨損”的概念。

從研究的對象來講，微動疲勞側重于考察微動引起的裂紋形成、擴展和疲勞斷裂的問題；微動磨損側重于研究由于微動引起的黏著、磨料、氧化和磨損等問題。

從損傷機理來講，微動磨損指兩接觸體在較大的接觸壓力和微動的共同作用下，在接觸表面引發裂紋，在往復的微動作用下，裂紋擴展進而使接觸表面的材料脫離母體形成磨屑，磨屑又進一步參與到接觸表面的磨損中來。由于接觸體除承受接觸壓力和微動所需的很小的推動力之外，不受其他形式載荷的作用，損傷的宏觀表現形式為接觸表面材料的剝落和磨損。該狀態下，一般不會造成整個結構的疲勞破壞。微動疲勞指構件或材料一方面在表面某處受到微動的作用，另一方面自身還承受較大的外部交變載荷（拉壓、彎曲、扭轉及其合成載荷，稱為遠端載荷）。微動或微動與外載荷的共同作用使接觸表面產生裂紋，進而擴展，宏觀上表現為構件的疲勞斷裂。

從接觸狀態來講，微動疲勞一般發生在相對滑移量較小，接觸表面處于局部滑移的狀態下。此時接觸區邊緣位置的應力集中加大，磨損量相對較小，有利于疲勞裂紋的萌生和擴展，進而產生疲勞斷裂。微動磨損一般發生在相對滑移量較大，接觸表面處在全局滑動的狀態下。在該狀態下，接觸表面整體的磨損率都較高，由于微動或外部載荷萌生的微裂紋很容易被磨掉，無法形成持續的擴展進而發生疲勞斷裂，接觸體的主要失效形式為磨損。

從載荷模式來講，發生微動磨損的構件一般不承受（或承受較小的）外部載荷的作用，這就限制了疲勞裂紋擴展的動力，導致最終的失效形式為磨損。發生微動疲勞的構件一般會承受較大的外部交變載荷的作用，使微動作用產生的微裂紋有足夠的擴展動力，最終發生疲勞失效。

雖然學術界將微動問題劃分為微動疲勞和微動磨損兩個方面，但實際工程中的微動問題往往是疲勞與磨損共同作用的結果。兩者既存在競爭也存在耦合關系，需要針對具體問題，從損傷機理入手開展研究工作。