轉動微動磨損條件下7075鋁合金的局部疲勞行為研究

沈明學， 周 琰， 宋 川， 莫繼良， 蔡振兵， 朱旻昊

(1.浙江工業(yè)大學過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州310032;2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都610031)

微動損傷主要包括疲勞裂紋擴展和表面磨損兩種破壞機制。微動引起的裂紋萌生與擴展是導致構件服役壽命降低的主要原因，其危害性往往超過材料磨損［1，2］。目前國內外針對微動開展的絕大多數研究主要集中于切向模式［1］。而影響微動損傷的因素很多［2］，其中不同微動模式下導致的局部疲勞行為的差異尚不明確。轉動微動是指在交變載荷作用下，接觸副發(fā)生微幅轉動的相對運動，它不同于扭動或滾動，其回轉軸平行于接觸表面且固定不動［3］。轉動微動現(xiàn)象廣泛存在于航空航天、軌道交通、人工植入器械等領域，如常見的螺栓與連接板、鉚接件、軸承與支座、軛軸等配合面處的損傷，很大程度上都是轉動微動所致。近年來，作者所在課題組針對轉動微動的表面損傷行為和磨損機制開展了大量研究，但國內外對轉動微動導致的局部疲勞裂紋萌生和擴展行為的相關研究尚未見報道。

7075鋁合金具有密度小、比強度高、加工性能和耐腐蝕性好等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域，是工業(yè)生產中的主要結構材料之一［4～6］。尤其在飛機制造業(yè)中占有非常重要的地位，其合金用量占飛機結構材料的比重較大［7］。本工作以7075鋁合金與GCr15鋼球配副為研究對象(選擇該對磨副主要是為了在7075鋁合金一方凸顯損傷現(xiàn)象)，重點考察了7075鋁合金在不同轉動角位移幅值條件下轉動微動磨損誘導的局部疲勞損傷行為，并比較了轉動與切向微動磨損的局部疲勞行為的異同。

1 實驗材料與方法

本研究采用球/平面接觸方式，7075鋁合金為平面試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×20mm，硬度為HV50g60，σs≈502MPa，經研磨拋光至表面粗糙度R a≈0.04μm;對偶件為φ40mm的GCr15鋼球(硬度為HV50g870，R a≈0.3μm)。

轉動微動磨損實驗在文獻［3］所述裝置上進行。實驗參數如下:轉動角速率ω=0.2°/s;轉動角位移幅值θ=0.25～2°，法向載荷Fn=50N;循環(huán)次數N=103～105次;空氣環(huán)境，溫度為(20±3)℃，相對濕度(50 ±5)%。實驗后，用環(huán)氧樹脂鑲嵌試樣后打磨做剖面分析，并用光學顯微鏡(OM)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕的表面和剖面形貌;用 NanoMap-D雙模式輪廓儀測定磨痕輪廓等。

2 實驗結果與討論

2.1 微動運行區(qū)域特性

大量的研究結果表明，微動在不同的運行區(qū)域表現(xiàn)為明顯不同的失效形式，它是一個局部接觸疲勞和磨損競爭作用的結果［1］。作者所在課題組先前的研究結果表明［3］，轉動微動也可以根據微動圖理論將微動依次劃分為部分滑移區(qū)(PSR)、混合區(qū)(MFR)和滑移區(qū)(SR)。根據文獻［3］的研究結果，表1示出了7075鋁合金在不同角位移幅值下的微動運行區(qū)域。

表1 7075鋁合金轉動微動磨損運行區(qū)域Table 1 Running regime of 7075 aluminum alloy under rotational fretting wear

2.1.1 部分滑移區(qū)

在部分滑移區(qū)，由于7075鋁合金的相對運動主要受彈性變形協(xié)調，表面損傷輕微，磨斑呈邊緣微滑的環(huán)狀輕微磨損區(qū)和接觸中心無損傷的黏著區(qū)兩個部分，這與切向微動的 Mindlin模型［8］基本一致。圖1a所示，當角位移幅值θ=0.375°和循環(huán)次數N =105時，磨痕表面形貌可見沿微動方向的兩側微滑區(qū)損傷明顯，主要表現(xiàn)為剝層和磨粒磨損，磨屑主要向垂直微動方向的兩側排出。由于塑性流動的不斷累積［9］和兩側微滑區(qū)的輕微磨損，三維形貌(見圖1b)上呈現(xiàn)明顯的中心隆起兩側低洼的“W”型。從圖2剖面觀察發(fā)現(xiàn)在微滑區(qū)與黏著區(qū)交界附近出現(xiàn)疲勞裂紋(剖面位置對應圖1a中A-A')，裂紋源位于距離接觸中心約150μm左右的接觸區(qū)內，且裂紋主要沿平行表面方向擴展(見圖2b)，一旦這些裂紋彼此貫穿或與垂向裂紋交匯時便表現(xiàn)為以剝層現(xiàn)象導致材料失效的剝落，這與切向微動中部分滑移區(qū)裂紋在接觸邊緣萌生且擴展方向與接觸表面呈一定角度的特征接觸表面明顯不同［1，10］。另一方面，又與切向微動的結論一致，即在較小角位移幅值時，即使在更高的循環(huán)次數下表面損傷依然輕微，剖面分析沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 部分滑移區(qū)磨痕的SEM表面形貌(a)及三維形貌(b)(θ=0.375°，N=105次)Fig.1 SEM morphology(a)and 3D-profile(b)ofwear scar in the partial slip regime(θ=0.375°，N=105)

圖2 部分滑移區(qū)的磨痕剖面形貌θ=0.375°，N=105次Fig.2 SEM observation of the wear scar cross-section in the partial slip regime underθ=0.375°and N=105

2.1.2 混合區(qū)

當角位移幅值增加到θ=0.5°時，F(xiàn)t-θ曲線在200個循環(huán)周次前后迅速由平行四邊形轉變?yōu)橹本€型(如圖3)，表明此時微動由完全滑移狀態(tài)向部分滑移狀態(tài)轉變。根據微動圖理論［11，12］，此時微動運行于混合區(qū)。接觸中心“隆起”依然存在，其表層在反復的微動作用下氧化非常嚴重并伴有磨屑堆積(圖4)。圖4顯示大量的裂紋分布于接觸中心兩側。與切向微動不同，裂紋并非靠近接觸邊緣萌生［1，10］，實際的裂紋源離接觸中心的距離與部分滑移區(qū)接近。在混合區(qū)裂紋擴展方向與表面約成30°角，與切向微動相似。除少量平行裂紋外大部分裂紋往基體內部擴展，這些裂紋一旦承受外部疲勞載荷作用很可能迅速擴展并導致構件失效。

圖3 7075鋁合金在混合區(qū)不同循環(huán)次數下的F t-θ曲線θ=0.5°(α1＞α＞2＞α3)Fig.3 F t-θcurves of 7075 aluminum alloy as a function of the number of the cycles in the mixed fretting regime underθ=0.5°(α1＞α2＞α3)(a)N=101;(b)N=103;(c)N=105

從圖3也可以得出，隨著循環(huán)次數的增加，圖中α1，α2，α3依次減小，這是由于接觸狀態(tài)的改變以及裂紋的擴展導致接觸表面切向剛度降低引起的。在微動的后期，由于裂紋的擴展，實驗所施加的角位移幅值的一部分將用于裂紋開-閉行為的調節(jié)，從而使接觸界面的實際相對滑移量減少，磨損率進一步降低。因此，在混合區(qū)材料的失效形式主要表現(xiàn)為裂紋的萌生和擴展，并伴隨因疲勞磨損(剝層機制)所致的微滑區(qū)片狀顆粒剝落。

2.1.3 滑移區(qū)

當微動運行于滑移區(qū)時，在局部接觸疲勞和磨損的競爭過程中，疲勞效應幾乎消失而微動磨損占支配地位。圖6所示為角位移幅值θ=2.0°時的磨痕表面形貌，從圖中可以發(fā)現(xiàn)磨痕表面布滿犁溝，表明此時磨損機制以磨粒磨損為主。剖面分析結果顯示，僅經歷N=104次微動循環(huán)磨痕已經呈明顯的“U”型(如圖7a)，整個磨痕表面堆積著厚厚的磨屑(約15μm左右)，并沒有向基體內擴展的疲勞裂紋存在(如圖7b)。這是由于在滑移區(qū)較高的相對運動下疲勞裂紋的萌生速率低于材料沿深度方向的磨損速率，導致疲勞裂紋來不及萌生。因此，磨損導致的接觸區(qū)材料被大量去除成為滑移區(qū)的主要失效形式。

圖6 滑移區(qū)的磨痕SEM表面形貌θ=2.0°，N=104次Fig.6 SEM surfacemorphology of wear scar in the slip regime underθ=2.0°and N=104

2.2 角位移幅值對裂紋長度的影響

上述的研究結果表明，裂紋的萌生與擴展特性取決于微動的運行區(qū)域。而大量的切向微動研究也表明，主裂紋的長度與微動的實驗參數如位移幅值、法向壓力和循環(huán)次數等直接相關［1］。本工作考慮了轉動角位移幅值(相當于切向微動中的位移幅值)的影響，通過試樣剖面顯微觀測，得出了如圖8所示的不同角位移幅值下轉動微動疲勞裂紋的長度。從圖中可以看出，轉動微動的裂紋萌生和擴展主要位于混合區(qū)附近。微動進入滑移區(qū)后，隨著角位移幅值的增加，由于材料磨損速率高于裂紋的萌生速率，因此接觸區(qū)并無明顯的裂紋存在。

3 結論

(1)7075鋁合金的轉動微動隨著角位移幅值的增加依次呈現(xiàn)部分滑移區(qū)、混合區(qū)和完全滑移區(qū)。疲勞裂紋的萌生和擴展主要位于部分滑移區(qū)和混合區(qū)附近。不同于切向微動，裂紋源位于微滑區(qū)與黏著區(qū)交界附近，即距離接觸中心約150μm左右的接觸區(qū)內。且在這兩個區(qū)域內，由于塑性流動的不斷累積，磨痕中心形成隆起。

(2)在部分滑移區(qū)，疲勞裂紋的擴展行為也明顯不同于切向微動，裂紋平行于接觸表面擴展，在接觸邊緣并沒有發(fā)現(xiàn)沿基體內部擴展的裂紋。

(3)在混合區(qū)，大量的疲勞裂紋在該區(qū)域內萌生，許多裂紋向基體內部擴展，裂紋的萌生位置與部分滑移區(qū)接近，材料的失效形式主要表現(xiàn)為裂紋的萌生和擴展，并伴隨因疲勞磨損(剝層機制)所致的微滑區(qū)片狀顆粒剝落。

(4)在滑移區(qū)，微動磨損占支配地位，磨損加劇，磨痕輪廓呈“U”型，隨著角位移幅值的增加，由于材料磨損速率高于裂紋的萌生速率，接觸區(qū)并無明顯的裂紋存在，微動損傷主要表現(xiàn)為接觸區(qū)材料的快速去除。

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