1.3 學(xué)科的形成與發(fā)展

雖然微動損傷廣泛存在于各種結(jié)構(gòu)的緊密配合件中，但是針對微動的研究卻僅有百余年的歷史。1911年，Eden、Rose和Cunningham等在金屬的疲勞試驗(yàn)報告中首次描述了夾緊件在與試件接觸處出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕致使試件難以從夾具中取下的現(xiàn)象，但是他們并沒有對該現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋和深入研究。1924年，Gillet和Mack發(fā)表了關(guān)于金屬疲勞試驗(yàn)的研究報告。報道了試件沒有在預(yù)期部位斷裂，而是在夾緊部位破壞的現(xiàn)象，但他們并未做更為深入的研究。首先對微動損傷進(jìn)行系統(tǒng)性研究的是Tomlinson，從1927年開始，他設(shè)計(jì)了專用設(shè)備，并在鋼試樣表面觀察到棕紅色的α-Fe2O3氧化磨屑。他認(rèn)為腐蝕是產(chǎn)生氧化磨屑的次要因素，造成損傷的主要因素是接觸表面的某種微小的相對滑動，并進(jìn)一步指出發(fā)生微動損傷的條件是“表面必須緊緊地壓在一起”“不停地來回滑動”。雖然當(dāng)時沒有條件進(jìn)行深入的研究，但其研究普遍被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是對微動現(xiàn)象的第一次系統(tǒng)的闡述。他的研究成果揭示了Eden等所觀察到的銹蝕現(xiàn)象不是在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生的，而是在接觸表面的某種微小相對滑動情況下產(chǎn)生的，奠定了微動損傷科學(xué)的基礎(chǔ)，具有重要的意義。同時，他也是第一個使用“fretting”一詞的人。隨后，關(guān)于微動損傷的研究逐漸增多，Tomlinson和Warlow Davies發(fā)現(xiàn)微動作用會加速試件的疲勞失效并展開了一定程度的研究。McDowell的試驗(yàn)研究指出，微動和疲勞的共同作用會使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低因子增至2～5或更大。

1949年，Mindlin首次運(yùn)用接觸力學(xué)理論解釋微動現(xiàn)象，提出在一定條件下微動接觸區(qū)是由滑移區(qū)和黏著區(qū)組成的，并最早計(jì)算了微動接觸區(qū)的應(yīng)力分布。Mindlin模型的提出標(biāo)志著微動摩擦學(xué)的發(fā)展進(jìn)入到一個新的階段，此后關(guān)于微動的研究迅速增加。在20世紀(jì)40年代末到70年代初的這段時間內(nèi)，各種解釋微動的理論和模型被逐漸提出，包括Feng和Uhigh分別于1953年和1954年提出的磨損速率變化理論和化學(xué)機(jī)械理論；Nishioka于1969年提出的早期微動疲勞模型；Hurrick對微動損傷的3個過程的描述；Waterhouse于1972年發(fā)表的首部有關(guān)微動的專著Fretting Corrosion。這些理論和模型初步構(gòu)成了微動摩擦學(xué)的基本理論體系。

隨著微動疲勞機(jī)理研究的不斷深化，微動疲勞過程被認(rèn)為是一個復(fù)雜的機(jī)械化學(xué)變化相互作用的過程。許多相關(guān)學(xué)科的理論被用來解釋和解決微動疲勞損傷問題。Hoeppner將疲勞極限的概念引入微動疲勞的研究；Endo和Goto將斷裂力學(xué)方法應(yīng)用于微動疲勞的研究。Waterhouse將Suh的大位移滑動磨損的剝層理論引入微動磨損的研究。隨著相關(guān)學(xué)科及分析測試技術(shù)的發(fā)展，新的理論模型不斷被提出。這些理論模型包括：Berthier、Vincent和Godet于1988年提出的微動運(yùn)動調(diào)節(jié)理論；Zhou和Vincent于1992年提出的二類微動圖理論；Godet于1990年提出的三體理論。這些理論不僅揭示了微動運(yùn)行機(jī)制和損傷機(jī)制之間的內(nèi)在規(guī)律，而且為微動損傷的試驗(yàn)研究提供了有效工具。

最近20年，微動疲勞對結(jié)構(gòu)可靠性的影響得到科學(xué)界的普遍重視，逐漸成為近年來結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，每年發(fā)表在各類國際期刊上的關(guān)于微動疲勞的論文數(shù)也由20世紀(jì)90年代初的三四十篇增加到現(xiàn)在的三四百篇，在理論分析、試驗(yàn)研究、防護(hù)措施和工業(yè)應(yīng)用等方面均得到巨大進(jìn)展。理論分析方面的研究不再局限于Hertz彈性接觸理論，而表現(xiàn)為通過塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、能量分析與數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合的方法模擬微動的運(yùn)行和破壞過程。例如，Hill等以及Maouche和Dang Van等對微動疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展所展開的研究從微動疲勞計(jì)算力學(xué)角度對微動損傷進(jìn)行了模擬和預(yù)測；試驗(yàn)研究方面則借助于新的試驗(yàn)手段和試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，使得研究的對象和工況不斷擴(kuò)大，所能得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷豐富。Matlik等利用新的試驗(yàn)設(shè)備和測試手段實(shí)現(xiàn)了650℃下振蕩頻率650Hz的微動疲勞試驗(yàn)；Meriaux和Fouvry將勢能落差技術(shù)應(yīng)用在疲勞裂紋擴(kuò)展的研究中，使裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展長度能夠被實(shí)時測量。防護(hù)措施方面的研究則在表面處理和機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)等方面取得了一定進(jìn)展。與此同時，微動疲勞損傷的理論和分析手段也取得了更加廣泛的工程應(yīng)用。