微动磨损

微动磨损，是指在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损。

简介

在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。一般认为，微动磨损的机理是：摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源，因而也是零件受动载失效的根源。根据被氧化磨屑的颜色，往往可以断定是否发生微动磨损。如被氧化的铁屑呈红色，被氧化的铝屑呈黑色，则振动时就会引起磨损。有氧化腐蚀现象的微动磨损也称微动磨蚀。在交变应力下的微动磨损称为微动疲劳磨损。

微动磨损的特点是：在一定范围内磨损率随载荷增加而增加，超过某极大值后又逐渐下降；温度升高则磨损加速；抗粘着磨损好的材料抗微动磨损也好；零件金属氧化物的硬度与金属硬度之比较大时，容易剥落成为磨粒，增加磨损；若氧化物能牢固地粘附在金属表面，则可减轻磨损；一般湿度增大则磨损下降。在界面间加入非腐蚀性润滑剂或对钢进行表面处理，可减小微动磨损。螺纹联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损。

滚动轴承零件的接触表面，由于振幅很小的正动式的相对运动而产生的磨损现象，叫做微动磨损。

磨损机理

微动磨损和其它类磨损一样，是一个极其复杂的过程[[i]]，由于表面变形、摩擦温度、接触压力和环境介质等因素的影响，表面层将发生机械性质、组织结构、物理和化学变化。接触副表面的破坏形式也不是单一的。

自上世纪90年代以后，国外学者在微动损伤的机理研究上提出了开创性新理论[[ii]、[iii]、[iv]、[v]]：

(1) 第二体理论：该理论认为在微动磨损过程中，由于产生了磨屑，所以摩擦系统会由二体接触变为三体接触。三体接触可分为五个位置，每个部位都有四种调节方式(弹变、断裂、剪切、滚动)。

(2) 速度调节机理：三体接触中的五个位置，每个位置都有四种调节方式，共有二十种可能运用的调节机理，多次测试结果证明，滑移幅度的变化就是通过速度调节机理实现的。

(3) 微动图[[vi]、[vii]、[viii]]：微动图理论揭示了微动磨损的运行机制和破坏规律，是近年来微动领域最具代表性的进展。微动图包括运行工况和材料响应微动图，运行工况微动图由部分滑移区、混合区和滑移区组成，其区域的划分由摩擦力、位移幅值、循环次数的变化特征确定，混合区的形成和大小主要与摩擦副的特性、界面介质有关；材料响应微动图由轻微损伤区、裂纹区和磨损区组成，其区域的划分主要由损伤类型确定，损伤区域分布、尺寸大小与循环次数密切相关。

期间国内学者根据非平衡态热力学理论[[ix]~[x]]，提出了一种新的研究微动损伤机理的方法，该方法认为完善的摩擦学理论应该涵盖摩擦磨损过程的各方而因素：力学效应、热作用、电磁作用、化学作用和材料效应等五个方而。由此提出了描述微动损伤的数学模型，并预测了在不同微动参数下的磨损区形貌和磨损产物，在微动试验机上开展的试验结果表明所做的预测是正确的。

参考资料

[i]. 温诗铸, 黄平. 摩擦学原理. 第二版[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002 .

[ii]. Lamaca V, Dubourn M C, Vincent L. Crack path prediction under freuinn falinue. A theoretical and experimental approach[C]. Tribol(ASME), 1996(118): 711~720.

[iii]. Vincent L, Berthier Y, Dubourg M C, et al. Mechanics and materials in fretting[J]. Wear, 1992(153): 135~148.

[iv]. T S N Sankara Narayanan, Young Woo Park, Kang Yong Lee. Fretting-corrosion mapping of tin-plated copper alloy contacts[J]. Wear, 2007(262): 228~233.

[v]. Faaeulle S, Kepsa Ph, Vincent L, et al. Theoretical analysis of fatigue cracking under dry friction for fretting loading conditions[J]. Wear, 1996(193): 25~34.

[vi]. 周仲荣. 摩擦学发展前沿[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[vii]. K Elleuch, S Fouvry, Ph Kapsa. Fretting maps for anodised aluminium alloys[J]. Thin Solid Films, 2003(426): 271~280.

[viii]. Vingsbo O. On fretting maps[J]. Wear, 1988, 126: 131~147.

[ix]. 戴振东, 薛群基, 王珉. 摩擦磨损过程的非平衡态热力学研究[J]. 自然杂志, 1998, 20( 4): 220~228.

[x]. 戴振东, 薛群基, 王珉. 摩擦问题的热力学研究[C]. 摩擦学进展, 1997( 3) : 21~ 24.

相关研究

微动模式的研究

实际工况中的微动现象十分复杂，从相对运动方式来看，可以分解为切向、径向、扭动和滚动微动四种基本模式，其中至今大多数研究集中在切向微动上，主要理论也是在此基础上建立的。大量的实际损伤问题包括钢缆、输电导线、电接触等部件都是径向微动等其他模式及多种运动模式复合的结果。，为解决复杂的微动损伤问题提供了理论指导和试验模拟手段[[i]、[ii]、[iii]]。

研究表明，对于径向微动，只有异质接触副材料才能产生微滑，引起微动损伤，另外，材料性质、表面粗糙度和载荷水平强烈地影响径向微动的动力学行为，径向微动的损伤主要表现为接触疲劳的剥落。对于切向与径向叠加的复合微动，在控制载荷循环过程中，微动损伤明显地呈现三个阶段的特征，用位移协调机制可以很好地揭示微动的运行和损伤机理。在复合微动过程中，在一定的试验条件下可以观测到混合区的存在，而且随着试验的循环周次增加，材料的磨损与疲劳存在明显的竞争关系。

[i]. Z R Zhou, K Nakazawa, M H Zhu, N Maruvama, Ph Kapsa, L　Vincent. Progress in fretting maps[J]. Tribology International, 2006(39): 1068~1073.

[ii]. Fu Y Q, Wei J, Batchelor A W. Some considerations on mitigation of fretting damage by the application of surface-modification technologies[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000(99): 231~245.

[iii]. 朱旻昊. 径向与复合微动的运行和损伤机理研究[D]. 西南交通大学, 2001(4): 137~151.

表面工程技术抗微动磨损

减缓微动损伤在各领域都有着重要的意义。近十年来，表面工程抗微动磨损和疲劳的研究逐渐增多，呈现良好的发展趋势。根据微动图理论和大量试验研究，减缓微动损伤的措施主要考虑四方面因素[[i]]：消除滑移区和混合区、增加接触表面强度、减低摩擦系数和采用合理的材料选用于匹配。

目前，抗微动损伤表面工程技术主要包括机械强化、表面热处理与热化学处理、电沉积技术、堆焊与热喷涂技术、物力气相沉积与化学沉积、高能束表面处理和固体润滑涂层等。从作用机制来看，便面工程技术减缓微动损伤主要是改变微动区域、引入残余压应力、降低摩擦系数、增加表面硬度、改变表面化学性质、改变表面粗糙度等。目前针对固体润滑涂层和硬质TiN涂层已有较系统的研究。

[i]. Hill D A. Mechanics of fretting fatigue[J]. Wear, 1995, 186~187: 1~10.

其他微动磨损相关研究

除了前述研究外，还有一些针对微动磨损和疲劳的理论、研究手段得到了发展。例如微动磨损与疲劳损伤过程中的能量关系[[i]~[ii]]，计算机辅助分析、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析等研究手段得到进一步提高，微动图理论也得到进一步发展。

[i]. 周仲荣, Vincent L. 微动磨损[M]. 北京: 科学出版社, 2002: 1~37,183~210.

[ii]. S Fouvry, Ph Kapsa, Vincent L. Quantification of fretting damages[J]. Wear, 1997(200): 186~205.