第1章 概述

1.1 微動(dòng)疲勞的基本概念

1.1.1 微動(dòng)疲勞的概念和基本術(shù)語(yǔ)

當(dāng)相互接觸的兩彈性體處于振動(dòng)工況時(shí)，雖然在法向（接觸面法線(xiàn)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(tài)，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(xié)同形變的作用，會(huì)在接觸區(qū)局部產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)，這一相對(duì)滑動(dòng)一般為微米量級(jí)，稱(chēng)之為“微動(dòng)”（fretting）。如圖1.1所示，由于微動(dòng)的存在，機(jī)械零部件接觸表面發(fā)生磨損，或引起疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的失效。

微動(dòng)疲勞（fretting fatigue）是指在交變載荷作用下，相互接觸的兩表面間發(fā)生微小的滑動(dòng)（一般其位移量為微米級(jí)，通常在幾微米到幾百微米之間），進(jìn)而加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞失效的現(xiàn)象。由微動(dòng)磨損導(dǎo)致接觸表面的損傷，在交變載荷的作用下，更容易發(fā)生疲勞破壞。相同試件的疲勞試驗(yàn)，存在微動(dòng)作用時(shí)的疲勞壽命比不存在微動(dòng)作用時(shí)的疲勞壽命降低30%～50%。對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)條件下材料的疲勞極限會(huì)降低到普通疲勞極限的1/4。羅爾斯·羅伊斯公司（Rolls-Royce）對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵零件的研究表明，微動(dòng)損傷導(dǎo)致構(gòu)件的使用壽命下降約30%，特別是對(duì)長(zhǎng)壽命構(gòu)件的影響更嚴(yán)重。微動(dòng)疲勞造成的失效在工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在，絕大多數(shù)的機(jī)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(fā)生微動(dòng)疲勞現(xiàn)象。

由于微動(dòng)現(xiàn)象與機(jī)理的復(fù)雜性，對(duì)微動(dòng)問(wèn)題的研究又分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕等幾個(gè)研究方向，不同學(xué)者對(duì)微動(dòng)概念的理解也有所不同。為便于表述和開(kāi)展研究工作，本書(shū)以美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）規(guī)定的術(shù)語(yǔ)為準(zhǔn)，一些主要名詞和術(shù)語(yǔ)說(shuō)明如下：

微動(dòng)（fretting）：微小振幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通常為兩接觸表面的切向運(yùn)動(dòng)。

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

微動(dòng)疲勞（fretting fatigue）：在微動(dòng)和脈動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變共同作用下的微動(dòng)損傷位置的裂紋形成、擴(kuò)展及完全斷裂的過(guò)程。

常規(guī)疲勞（plain fatigue）：一般用來(lái)描述不存在微動(dòng)情況的疲勞問(wèn)題。

微動(dòng)磨損（fretting wear）：由于微動(dòng)引起的磨損。

法向載荷（normal force）：接觸界面法線(xiàn)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(dòng)。

部分滑移（partical slip）：在一個(gè)加載循環(huán)中，接觸體的接觸面上只有部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的接觸狀態(tài)。

全局滑移（gross slip）：在一個(gè)加載循環(huán)中，接觸體的接觸面上所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)都發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的接觸狀態(tài)。

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

1.1.2 微動(dòng)疲勞的損傷機(jī)理及其與微動(dòng)磨損的區(qū)別和聯(lián)系

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

（1）微動(dòng)時(shí)作用在接觸表面的切向力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。根據(jù)剪切互等定理，材料微元體所受的剪切應(yīng)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(yīng)力引起平行于表面的裂紋，并在此方向上擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的脫層損失；垂直于表面的剪切應(yīng)力引起垂直于接觸表面的裂紋，并在垂直方向上擴(kuò)展，形成疲勞裂紋。

（2）微動(dòng)表面的接觸壓力。在接觸區(qū)材料內(nèi)部形成剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力，促使在其作用方向上的裂紋萌生和擴(kuò)展，對(duì)疲勞損傷起主要作用。

（3）受力結(jié)構(gòu)承受的遠(yuǎn)端軸向載荷。發(fā)生微動(dòng)疲勞破壞的構(gòu)件一般情況下會(huì)承受平行于微動(dòng)滑移方向的載荷作用，這種載荷與微動(dòng)共同作用，是微動(dòng)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

Sproles等對(duì)前人的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，提出了一個(gè)裂紋萌生模型，如圖1.2所示。這一模型將微動(dòng)疲勞裂紋的萌生過(guò)程分為4個(gè)階段：

（1）由于接觸表面微動(dòng)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(kuò)展形成表面脫層，進(jìn)而形成磨屑。

（3）由于裂紋的增加形成深達(dá)50μm的深坑，疲勞裂紋從此處產(chǎn)生。

（4）經(jīng)歷脫層和磨損的表面應(yīng)力分布復(fù)雜，形成不同方向的裂紋。

在裂紋萌生的初始階段，往往會(huì)在深坑的底部形成多條微裂紋，在微動(dòng)磨損的作用下，大部分微裂紋被磨掉，無(wú)法形成擴(kuò)展型裂紋。只有少數(shù)裂紋在外加載荷的作用下形成最終的擴(kuò)展型裂紋。這一過(guò)程又可分為兩個(gè)階段：

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

（2）當(dāng)裂紋達(dá)到一定深度后，微動(dòng)作用逐漸減弱，對(duì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展已不起作用，從此裂紋擴(kuò)展只受遠(yuǎn)端外載荷的作用。裂紋轉(zhuǎn)向與接觸面垂直的方向。

典型的微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)如圖1.3所示。

作為一個(gè)接觸問(wèn)題，微動(dòng)不可避免地涉及摩擦學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度學(xué)等學(xué)科，因此談到微動(dòng)引起的疲勞問(wèn)題時(shí)，不可避免地涉及接觸表面的磨損問(wèn)題。實(shí)際上微動(dòng)現(xiàn)象正是磨損、疲勞等現(xiàn)象共同作用的結(jié)果。為了降低研究難度，研究者分別應(yīng)用機(jī)械強(qiáng)度學(xué)和摩擦學(xué)的研究方法對(duì)微動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展研究工作，這就形成了所謂的“微動(dòng)疲勞”和“微動(dòng)磨損”的概念。

從研究的對(duì)象來(lái)講，微動(dòng)疲勞側(cè)重于考察微動(dòng)引起的裂紋形成、擴(kuò)展和疲勞斷裂的問(wèn)題；微動(dòng)磨損側(cè)重于研究由于微動(dòng)引起的黏著、磨料、氧化和磨損等問(wèn)題。

從損傷機(jī)理來(lái)講，微動(dòng)磨損指兩接觸體在較大的接觸壓力和微動(dòng)的共同作用下，在接觸表面引發(fā)裂紋，在往復(fù)的微動(dòng)作用下，裂紋擴(kuò)展進(jìn)而使接觸表面的材料脫離母體形成磨屑，磨屑又進(jìn)一步參與到接觸表面的磨損中來(lái)。由于接觸體除承受接觸壓力和微動(dòng)所需的很小的推動(dòng)力之外，不受其他形式載荷的作用，損傷的宏觀表現(xiàn)形式為接觸表面材料的剝落和磨損。該狀態(tài)下，一般不會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。微動(dòng)疲勞指構(gòu)件或材料一方面在表面某處受到微動(dòng)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(zhuǎn)及其合成載荷，稱(chēng)為遠(yuǎn)端載荷）。微動(dòng)或微動(dòng)與外載荷的共同作用使接觸表面產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展，宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件的疲勞斷裂。

從接觸狀態(tài)來(lái)講，微動(dòng)疲勞一般發(fā)生在相對(duì)滑移量較小，接觸表面處于局部滑移的狀態(tài)下。此時(shí)接觸區(qū)邊緣位置的應(yīng)力集中加大，磨損量相對(duì)較小，有利于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞斷裂。微動(dòng)磨損一般發(fā)生在相對(duì)滑移量較大，接觸表面處在全局滑動(dòng)的狀態(tài)下。在該狀態(tài)下，接觸表面整體的磨損率都較高，由于微動(dòng)或外部載荷萌生的微裂紋很容易被磨掉，無(wú)法形成持續(xù)的擴(kuò)展進(jìn)而發(fā)生疲勞斷裂，接觸體的主要失效形式為磨損。

從載荷模式來(lái)講，發(fā)生微動(dòng)磨損的構(gòu)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(kuò)展的動(dòng)力，導(dǎo)致最終的失效形式為磨損。發(fā)生微動(dòng)疲勞的構(gòu)件一般會(huì)承受較大的外部交變載荷的作用，使微動(dòng)作用產(chǎn)生的微裂紋有足夠的擴(kuò)展動(dòng)力，最終發(fā)生疲勞失效。

雖然學(xué)術(shù)界將微動(dòng)問(wèn)題劃分為微動(dòng)疲勞和微動(dòng)磨損兩個(gè)方面，但實(shí)際工程中的微動(dòng)問(wèn)題往往是疲勞與磨損共同作用的結(jié)果。兩者既存在競(jìng)爭(zhēng)也存在耦合關(guān)系，需要針對(duì)具體問(wèn)題，從損傷機(jī)理入手開(kāi)展研究工作。