多轴微动疲劳损伤行为

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万方数据第40卷第1期2012年1月同济大学学报(自然科学版)JOI瓜NAI．0F1℃匝旧IUNⅣERSITY(NAn瓜AI，SCIENCE)V01．40No．1Jan．2012文章编号：0253．374X(2012)01—0077．04130I：10．3969／j．issn．0253．374x．2012．01．014多轴微动疲劳损伤行为刘兵1’2，何国球1’2，蒋小松1’2，朱昊昊3(1．同济大学材料科学与工程学院，上海201804；2．上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海201804；3．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要；通过柱面对柱面的接触方式，对35CrMoA钢在拉扭复合载荷作用下的低周微动疲劳特性进行研究。并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对微动疲劳试样的微动斑和断口形貌进行观察，讨论分析了微动摩擦磨损对材料微动疲劳失效行为的影响。结果认为，微动区产生的氧化物磨屑加剧了表层材料的磨损，微动摩擦还促使疲劳裂纹源加速萌生，最终使材料在微动摩擦磨损区边缘断裂失效。关键词：微动疲劳；失效分析；断口形貌中图分类号：TGl42．42文献标识码：AMulti-axialFrettingFatigueBehavior删挠叼1～，衄Guoqiul”，JIANGXiaoson91”，ZHUM／nhao3(1．CollegeofMaterialsScienceandEngineering。TongjiUniversity。Shanghai201804．China)2．ShanghaiKeyLaboratoryforR＆DandApplicationofMetallicFunctionalMaterials，Shanghai201804，a：lilla；3．NationalPowerTractionKeyLaboratory，SouthwestJiaotongUniversity．Chengdu610031。china)Abstract：n屺modelofcylindershapesurfacecontactwasappliedtotheinvestigationoffrettingfatiguefailurecharactersof35CrMoAundermulti-axialcyclicloading．Andthefrettingwearscarandfracturemorphologywereexaminedbyopticalmicroscopeandscanningelectronicmicroscope．Theeffectoffrettingwearonmaterialfatiguefailurewasdiscussed，too．Resultsofthisstudyindicatethattheoxidedebrisproducedinthewearscarplayimportantrolestosurfacematerialdamage；frettingweal"canacceleratetheinitiationoffrettingfatiguecrackandleadtomaterialfailureattheboundaryoffrettingandnon-frettingarea．Keywords：frettingfatigue；failureanalysis)fractography机械系统和工程设备经常在有机械振动的环境中服役，其构件在连接处存在接触压力，则接触表面在循环载荷作用下发生微小幅度的相对位移滑动．在机械工程中人们称这种由于接触部位同时存在周期性振动和微小幅度的往复滑动为微动，微动造成的摩擦磨损使构件加速失效的疲劳破坏过程称为微动疲劳(frettingfatigue，FF)[i-3]．微动疲劳的早期是一种摩擦磨损行为[4]，破坏机械构件表面材料的完整性，从而促进疲劳裂纹的萌生，并使其加速扩展，使零构件的疲劳强度及寿命大幅度降低睁7。．微动疲劳现象广泛地存在于各类机械和结构中[8-10‘，如部件的过盈配合、燕尾槽、螺栓连接、轮轴连接、键槽连接、汽轮机、缆线连接部位等．微动疲劳问题已引起工程界的广泛关注．影响微动疲劳的参量较多Ll2I，而且这些参量又互相影响，目前对于微动疲劳机理的认识还较模糊，使得在设计中对微动疲劳进行有效的预防还存在困难．因此对微动疲劳的机理进行研究具有重大的实际意义．目前，人们对材料在单轴拉伸循环载荷下的微动疲劳特性进行了大量的研究工作，而对材料在多轴复合载荷作用下的微动疲劳特性研究还较少．35CrMoA钢是目前我国广泛应用的低合金高强度钢，强度和淬透性较高，在铁道车辆、汽车拖拉机工业中作为承受较大负荷的结构部件，经常受到与之接触部件的交变振动接触应力而产生微动疲劳．本文采用柱面对柱面的接触方式研究35CrMoA钢在拉扭复合载荷作用下的多轴低周微动疲劳特性，通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察并分析讨论了摩擦磨损表面和断口形貌特征．收稿口期：2010一11-10基金项目：国家“九七三”莺点基础研究发展计划(2007CB714704)；国家自然科学基金(60771073)；教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCI：T一05—0388)第一作者：刘兵(1978一)．男．博士生，主要研究方向为金属功能材料与材料摩擦学．E-mail：liubng@gmail．com通讯作者：何国球(1966一)，男．教授，博士生导师．工学博士，主要研究方向金属材料疲劳、智能材料、摩擦学材料．E—mail：gqhe@tongji．edu．en 万方数据M济太擘学撤f自然科学版第"巷加T至所需尺ir，采用滑纵向磨削及抛光的工艺方法以避免试样r残留横向刀痕对实验结果的下扰，试样表面最终经打磨至表面粗糙度R。40．16．微动桥的材料、热处理及加工方法均与试样相同，实验前对试样和微动桥脚J【}j内酮清洗．表1材料的化学成分Tab．IChemicalcompositionofthematerialused』c素质量分数／蹦元素质量分散／％(10320～0．390Mo0．150～O．250Sl0170～O37()P0．013Mn()400～0700S0．006(Jr0800～l_100Fc其余臆图l微动疲劳试样的金相组织Fig．1Microstructureofthe35CrMoAspecimenusedinthisexperimentaleffort表2材料的力学性能Tab．2Mechanicalpropertiesofthematerialused拉扭微动疲劳在改进后的MTS-809疲劳试验机上进行(图2a)．实验加裁示意如蚓2b所示，两微动桥在接触压力只的作用F均匀对称地压在试样两边．实现柱面与柱面接触．往循环轴向载倚P!和切向扭矩载荷T的作用F．微动桥和试样的接触面间产生微小位移幅度的相对滑动．图2实验设备及加载示意Fig．2Experimentalinstrumentandschematicofcycleloading本实验采用州3所示的椭圆形路径加载，图中”为试验周期数．r为周期．r为剪切应力，o为轴向应力，相位角∞一9(】。．轴向应力幅“一400MPa，应力比h—o．1．扭矩载荷在试样表面产生的切向剪应力幅^一350MPa，应力比^一1．轴向和切向加载波形为正弦波，频率均为3Hz，接触正应力大小Pl一300MPa．微动疲劳失效后，在HITACHI$2360N型扫描电镜上观察磨损表面形貌．‘●”rIMPa：／，、"(”+{)r‘／vn+iI)r．04㈨h＼400MPaj}MPa／／加+{Jr一图3多轴疲劳加载路径示意Fig．3Schematicofmulti-axialcyclicloadingpath2实验结果与分析21滞后回线在微动疲劳过程中的演变图4所示为微动疲劳过程巾的开始阶段和结束阶段的轴向应力应变滞后同线．由于这时的轴向正应力幅值为400MPa，远小于材料的垴服强度，在疲劳过程中不发Ⅱ二塑性变形，仪发生弹性变形．但是金属材料的内耗使材料在弹性变形阶段应变落后于应力的发生，产生如罔5所示的弹性滞后环，滞后环的面积等于材料内耗所吸收的不町逆功．在整个循环加载过程中试样的应力一应变滞后回线都很窄，说明材料在微动疲劳过程巾的塑性应变小，消耗的不nf 万方数据第1期刘兵。等：多轴微动疲劳损伤行为逆功少，弹性功大．可见轴向循环载荷对材料的损伤较小．图5所示为微动疲劳过程中的开始阶段和结束阶段的扭转角与扭矩滞后回线．在实验过程中，当扭矩达到最大值时在材料表面产生的切向剪切应力幅值为350MPa，这时扭转角与扭矩滞后回线较宽，扭转角滞后于扭矩的现象很明显．因此扭转产生的剪切应力使材料内耗所吸收的不可逆功较多，对材料的疲劳损伤严重．也说明了此时的剪切应力显著影响了材料的疲劳失效行为．2．2应变及扭转角幅值在微动疲劳过程中的演变图6a给出了轴向应变在微动疲劳过程中的演变情况．可以看出，在实验开始后，轴向载荷需要10个循环周期才能达到目标值，然后处于一个比较稳定的状态．而在100个循环周期后，材料的应变幅值逐渐变大，这是材料在循环载荷作用下开始软化的结果．而在104个循环周期后材料又开始发生硬化现象，这时轴向应变幅值又开始下降．材料的循环软应力／MPaa开始阶段b结束阶段图4应力一应变滞后回线在微动疲劳过程中的演变ng．41t孵evaluationofs虹鸭s—strainhysteresisloop世辩辑一f<艘辞黾化和硬化与材料微观位错结构的运动有关．对于强度较高的材料，强化相在循环载荷的作用下位相会发生改变，它们对位错的钉扎效果降低，使得一些滑移系开动，宏观上表现为材料的软化．随着位错的运动又会发生相互作用，并纠结在一起，阻碍其运动，使材料发生硬化现象．图6b给出了扭转角幅值在微动疲劳过程中的演变情况．从图中看出扭矩也需数十个周期才能达到目标值，转角的幅值也应该在扭矩达到目标值时保持稳定，但实际情况并不是这样．图中表明，扭转角的极小值会在100个循环周次时达到最小，然后逐渐增大，与极大值同时向正方向偏移．这种现象是由加载路径的相位角造成的．从图3可见，在每个循环周期内，前0．5个周期的轴向应力要比后0．5个周期内的轴向应力大，因此试样的伸长量也大，在相同的切向应力作用下，造成的扭转角幅值也较大．因此使图6b中的扭转角向正方向偏移．扭矩／(N-m)a开始阶段扭矩／(N·m)b结束阶段图5转角一扭矩滞回线在微动疲劳过程中的演变Fig．5neevaluationoftorque。。rotationhysteresisloop2．3微动磨损特征图7是不同放大倍数下的微动摩擦磨损斑的SEM照片．从图7a中可以看出，在微动摩擦磨损表面出现大量滑擦、碾压和抹平的痕迹，表面附着一些褐色的硬质颗粒．而在500倍的放大图像下发现微动斑是由一些更小的斑痕所组成，如图7b所示．这54—3<2搬1辩0辑一I-9-3a应变循环周次b扭转角图6应变幅值和扭转角幅值在微动疲劳过程中的演变Fig．6Theevaluationofstrainamplitudeandrotationamplitude些微小斑痕是材料在摩擦磨损过程中形成的．由于材料的表面氧化层破裂，试样和微动桥的亚表层材料直接接触，它们具有较高化学活性，在摩擦力和正压力的作用下发生了粘着现象．同时，微动区表面凸起部位在法向载荷作用下不断碰撞并发生冷焊作用．随着相对位移增大，粘着的亚表层材料又被撕 万方数据间济大学学报(自然科学版第10卷裂，这就形成了细小的微动斑．试样表层材料部分被撕裂、脱落并迅速被氧化成硬质颗粒．这些硬质氧化物磨屑在微动摩擦表面运动也会留下擦伤的沟槽形貌．从高倍SEM照片中还可以看出，摩擦表面被南大量磨屑形成的磨屑床覆盖．这是磨粒磨损的显著特征．总之，微动磨损就是微动造成接触损伤，破坏材料表层的完整性或使表层材料损失的过程．这种破坏方式会诱发疲劳微裂纹的萌生．aou倍bs／g)倍图7不同放大倍数下的摩擦磨损斑形貌特征Fig．7Charactersoffrettingfatiguescarsunderdifferentmagnification24微动疲劳断口特征试验中发现，35CrMoA钢的拉扭微动疲劳裂纹萌生点发生在微动区和未微动区的交界处，如图8a所示．图8b是微动磨损区域所受应力模型的示意隆i，在微动区间AB之间，除了受循环轴向载荷P2和切向扭矩产生的剪切应力之外，还受到微动桥的接触压力P，和微动摩擦表面间的摩擦力Pf的作用．这样，在压脚与试件接触边缘(如图8b中B点)的内侧处产生应力集中，促使微动疲劳裂纹在该处萌生，因此试验中所有试件的主裂纹及开裂部位都集巾在压脚内侧的微动与未微动的交界处．P一!■iiik!-一●———一—+^：只：R．：纠“儿成血蚩[_曼力状岳“、总图8裂纹形成位置及受力状态示意Fig．8Frettingfatiguecrackinitiationsiteandschematicofstress由于材料受到的剪切应力较大，疲劳裂纹萌生后就迅速扩展．使材料发生断裂失效，疲劳寿命较短，因此断口上没有留下疲劳辉纹。只可见呈放射状的断裂台阶，它们是裂纹在剪切应力作用下扩展而形成的，如图9所示．虽然此时断口形貌特征显示为剪应力致疲劳失效，但微动摩擦磨损对疲劳累积损伤的影响很大，并直接导致疲劳裂纹萌生于微动斑的边缘处，这是材料疲劳强度降低的主要原吲．微动疲劳的实质就是微动诱发微裂纹的产生，缩短材料的裂纹萌生寿命，加速材料的断裂失效过程，致使材料的总疲劳寿命缩短或疲劳强度降低．■iLr瓯_一广—弋a侧面b止面图9断口形貌特征Fig．9Charactersoffracturesurface3结论通过在微动装置上对35CrMoA合金材料施加拉扭复合疲劳载荷，发现微动摩擦磨损对材料的疲劳断裂失效行为具有显著影响：(1)切向循环剪应力对35CrMoA合金材料的破坏比轴向循环正应力对材料的破坏更严重．在疲劳过程前期材料发生循环软化．而在疲劳过程后期发生硬化．多轴加载路径的相位角使扭转角的极大值和极小值在循环过程中向正方向偏移．(2)微动摩擦磨损斑是南一些更小的斑痕所组成，表面有粘着和氧化现象发生，同时摩擦表面被由大量磨屑形成的磨屑床覆盖．(3)在压脚与试样接触边缘的内侧处产生应力集中，促使微动疲劳裂纹在该处萌生，导致试件的主裂纹及开裂部位都集中在试样微动与未微动的交界处．(4)由于材料受到的剪切应力较大，疲劳寿命也较短，微动裂纹萌生后就迅速扩展，致使材料发生断裂失效，断口上没有留下疲劳辉纹，只可见呈放射状的断裂台阶．参考文献[1]PapeJA，NeuRWAcomparativestudyofthefrettingfatiguebehayJarof4340steeIandPH138Mostainlessstee】J—InternationalJournalofFatigue．2007．29(12)：2219[2]IVladgoJJ，LeenSB．ShipwayPHAcombinedweal-andcracknuc]eation--propagadonmethodologyforfrettingfatigueprediction[J]InternationalJournalofFatigue·20118，30(9)：1509(下转第87页) 万方数据第1期吴光强．等：双离合器自动变速器起步的智能控制策略较明显的缩短，有利于车辆的快速起步．然而，双离合器协同起步的控制策略较单离合器起步复杂，以致增加了控制系统实现的难度．参考文献：[1]Goet2M，LevesleyMC，CrollaDA．Integratedpowertraincontrolofgearshiftsontwinclutchtransmissions[C]／／2004SAEWorldCongressDetriot．Detriot：SAE，2004：SAEpaper2004．01—1637．[2]吴光强，杨伟斌，秦大同．双离合器式自动变速器控制系统的关键技术口]．机械工程学报，2007，43(2)：13．WUGuangqiang，Ⅵ～NGWeibin。QtNDatong．KeytechniqueofdualclutchtransmissioncontrolsystemD]．ChineseJournalofMechanicalEngineering，2007，43(2)：13．[3]ZHANGY．CHENX。JIANGH，eta1．Dynamicmodelingandsimuhtionofadual-．clutchautomatedlay．．shafttransmission[J]．JournalofMechanicalDesign，TransactionsoftheASME，2005，127(2)：302．[4]TANGXianqing，HOUChaozhen，CHENYunchuang．Studyofcontrollingclutchengagementfor黼basedoilfuzzylogic[J]．JournalofBeijingInstituteofTechnology。2002，11(1)：45．(上接第80页)[3]NowellD，HillsDA，DaiDN．EnergydissipationandcrackinitmtioninfrettingfatigueEJ]．TribologySeries，1994，27，389．[4]PapelJA，NeuRW．Subsurfacedamagedevelopmentduringfrettingfatigueofhighstrengthsteel[J]．TribologyInternational，2007，40：1111．[5]MajzoobiGH。NematiJ。NovinRoozAJ，eta1．ModificationoffrettingfatiguebehaviorofAL7075一T6alloybytheapplicationoftitaniumcoatingusingIBEDtechniqueandshortpeening[J]．TribologyInternational。2009，42：121．[6]SergioM，CarlosN，JaimeD．Applicationoffracturemechanicstoestimatefrettingfatigueendurancecurvesl-J']．EngineeringFractureMechanics，2007．74：2168．[7-IRossmoLS，CastroFC，BosefilhoWW，eta1．Issuesonthemeanstresseffectinfrettingfatigueofa7050—T7451Alalloy[5]程秀生，冯巍，陆中华。等．湿式双离合器自动变速器起步控制[J]．农业机械学报。2010。14(1)：18．CHENGXiusheng，FENGWei。LUZhonghua．eta1．Smrtingcontrolbasedonwetdualclutchtransmission[J]．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2010，14(1)：18．[6]BerndMatthes．Dualclutchtransmissions-lessonslearnedandfuturepotential[J]．2005SAEWorldCongress．Detriot：SAE，2005：SAEpaper2005-01·1021．[7]ZhangY，KulkarniM，MarineM。eta1．Launchandshiftdynamicsofdual．clutchtransmissionvehicles[C]∥ProceedingsoftheInternationalConferenceollMechanicalTransmissions2006，Beijing：SciencePress，2006：400—406．[8]葛安林．车辆自动变速理论与设计[M]．北京：机械工业出版社，1993．GEAnlin．Theoryanddesignofautomatictransrnission[M]．Beijing：ChinaMachinePress。1993．[9]LIUHaiou，CHENHuiyan，DINGHuarong，eta1．AdaptiveclutchengagingProcesscontrolforautomaticmechanicaltransmission[J]．JournalofBeijingInstituteofTechnology，2005，14(2)：170．[10]HaykinS．Neuralnetworksandlearningmachines[M3．Beijing．．ClaimMachinePress，2009．[11]RipleyBD．Patternrecognitionneuralnetworks[M]．Beijing：Posts＆TelecomPress。2009．posedbynewexperimentaldata[J]．InternationalJournalofFatigue，2009，5：345．[8]WavishPM，HoughtonD，DingJ。eta1．Amultiaxialfrettinghtiguetestforsplinecouplingcontact[J]．FatigueandFractureofEngineeringMaterialsandStructures，2009，32：325．[9]KubotaM。TanakaY，KondoY．Theeffectofhydrogengasenvironmentonfrettingfatiguestrengthofmaterialsusedforhydrogenutilizationmachines[J]．TribologyInternational，2009。42：1352．ElO]LeeDH。KwonSJin。HamYS，eta1．Characterizationoffrettingdamageinapress-fittedshaftbelowthefrettingfatiguelimit[J]．ProcediaEngineering。2010，2：1945．[11]WaterhouseRB．Frettingfatigue[J]．InternationalMaterialsReviews，1992。37：77． 多轴微动疲劳损伤行为作者：刘兵，何国球，蒋小松，朱旻昊，LIUBing，HEGuoqiu，JIANGXiaosong，ZHUMinhao作者单位：刘兵,何国球,蒋小松,LIUBing,HEGuoqiu,JIANGXiaosong(同济大学材料科学与工程学院,上海201804;上海市金属功能材料开发应用重点实验室,上海201804)，朱旻昊,ZHUMinhao(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都,610031)刊名：同济大学学报（自然科学版）英文刊名：JournalofTongjiUniversity(NaturalScience)年，卷(期)：2012,40(1)参考文献(11条)1.PapeJA;NeuRWAcomparativestudyofthefrettingfatiguebehaviorof4340steelandPH13-8Mostainlesssteel[外文期刊]2007(12)2.MadgeJJ;LeenSB;ShipwayPHAcombinedwearandcracknucleation-propagationmethodologyforfrettingfatigueprediction[外文期刊]2008(09)3.NowellD;HillsDA;DaiDNEnergydissipationandcrackinitiationinfrettingfatigue19944.PapelJA;NeuRWSubsurfacedamagedevelopmentduringfrettingfatigueofhighstrengthsteel[外文期刊]2007(7)5.MajzoobiGH;NematiJ;NovinRoozAJModificationoffrettingfatiguebehaviorofAL7075-T6alloybytheapplicationoftitaniumcoatingusingIBEDtechniqueandshortpeening20096.SergioM;CarlosN;JaimeDApplicationoffracturemechanicstoestimatefrettingfatigueendurancecurves[外文期刊]20077.RossinoLS;CastroFC;BosefilhoWWIssuesonthemeanstresseffectinfrettingfatigueofa7050-T7451Alalloyposedbynewexperimentaldata20098.WavishPM;HoughtonD;DingJAmultiaxialfrettingfatiguetestforsplinecouplingcontact[外文期刊]2009(4)9.KubotaM;TanakaY;KondoYTheeffectofhydrogengasenvironmentonfrettingfatiguestrengthofmaterialsusedforhydrogenutilizationmachines[外文期刊]2009(9)10.LeeDH;KwonSJin;HamYSCharacterizationoffrettingdamageinapress-fittedshaftbelowthefrettingfatiguelimit[外文期刊]201011.WaterhouseRBFrettingfatigue1992本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tjdxxb201201014.aspx