扭动微动磨损的研究进展和现状_蔡振兵_朱旻昊
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２
中 国 表 面 工 程
２ ０ １ ４年
［］ 行 。１ ８ ８ ２年， Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ４ 首 先 发 表 了 法 向 接 触 问 题
］ ２ ８ ３ ０ － ； 系数高于滑动 摩 擦 系 数 ［ 毛勇研制了一种铁 ］ ３ １ ； 路心盘端面扭动摩擦磨损疲劳试验装置 ［ 王时
的相关论文 ； １ ９ ５ １ 年， Ｌ ｕ ｂ ｋ ｉ ｎ对材料相同的两个 弹性球体 在 法 向 载 荷 作 用 下 的 扭 转 接 触 进 行 了 解析分析 ； １ ９ ８ ５年， Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 提出了扭转加载条 ［ ６ 、 件下圆形 椭圆域应力分 布 ］。２ ０世纪９ ０ 年 代，
［ ］ ５
龙模拟了 多 股 弹 簧 工 作 过 程 中 钢 丝 间 发 生 的 柱 研究了多股簧钢丝在扭动微 － 柱接触扭动微动 ， ］ ３ ２ ３ ３ － 。扭动微 动条件 下 的 运 行 行 为 和 损 伤 机 理 ［ 动研究近年来逐渐 兴 起 ， 文中对其研究结果和现 状进行了综述 。
法向力接触的两种 Ｊ ｅ ｒ对较小 扭 力 偶 作 用 下 ， ｇ 材料的接 触 状 态 处 于 粘 着 、 完 全 滑 移、 部分滑移 完善了 条件下 的 力 学 状 态 进 行 了 进 一 步 阐 述 ， 应用增 Ｌ ｕ ｂ ｋ ｉ ｎ 方程 。 在 Ｊ ｅ ｒ在 随 后 的 研 究 中 ， ｇ ］ ７ ８ － 。 量接触 法 则 解 释 了 倾 斜 和 扭 动 接 触 的 问 题 ［ 尽管对扭动接触的 摩 擦 学 研 究 已 经 开 展 了 多 年 ， 但是对于 材 料 的 在 扭 动 微 动 作 用 下 的 损 伤 研 究 不 多。 而 Ｂ ｒ ｉ ｓ ｃ ｏ ｅ和 Ｃ ｈ ａ ｔ ｅ ａ ｕ ｍ ｉ ｎ ｏ ｉ ｓ主要针对 ［ ２ ］ 。 ＰＭＭＡ 的 扭 转 微 动 行 为 进 行 了 试 验 研 究 ９－１ 近年来 ， 西南交通大 学 课 题 组 研 发 出 新 型 扭 动 微 动摩擦学试验设备 ， 对于不同材料的扭动微动摩 擦学性能开展 了 一 系 列 研 究 ，并 得 到 了 丰 富 的 研 究结果
。 另外 ， 王世博和张纱等开展了玻璃
） 育部创新研究团队项目 （ Ｉ Ｒ Ｔ １ １ ７ ８
前的研究 主 要 在 理 论 计 算 和 数 值 模 拟 方 面 来 进
；修回日期 ： ；基金项目 ：＊ 国家杰出青年科学基金 （ ） ；国家自然科学基金 （ ） ；教 收稿日期 ： ２ ０ １ ４－０ ７－０ ６ ２ ０ １ ４－０ ７－１ ６ ５ １ ０ ２ ５ ５ １ ９ ５ １ ３ ７ ５ ４ ０ ７ ，男 （ ，湖北黄冈人 ，副研究员 ，博士 ；研究方向 ：微动摩擦学及表面工程 作者简介 ：蔡振兵 （ 汉） １ ９ ８ １－ ） ；网络出版地址 ： ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版日期 ： ２ ０ １ ４－０ ７－１ ８ １ １∶１ ３ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ３ ９ ０ ５． Ｔ Ｇ． ２ ０ １ ４ ０ ７ １ ８． １ １ １ ３． ０ ０ １． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ］ （ ） ： 引文格式 ：蔡振兵 ，朱旻昊 ．扭动微动磨损的研究进展和现状 ［ Ｊ ．中国表面工程 ， ２ ０ １ ４， ２ ７ ４ １－１ １．
， Ｃ Ａ Ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ－ｂ ｉ ｎ Ｚ ＨＵ Ｍ ｉ ｎ－ｈ ａ ｏ ｇ （ ，Ｍ ， Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ － ｙ ｙ ｇ ｙ ｇ ， ） ｓ ｉ ｔ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｄ ｕ ６ １ ０ ０ ３ １ ｙ ｇ
第２ ７卷 第４期 ２ ０ １ ４年８月
中 国 表 面 工 程
ＣＨ Ｉ ＮＡ Ｓ ＵＲ Ｆ Ａ Ｃ Ｅ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７ Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ｕ ｓ ｔ ０ １ ４ ２ ｇ
： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７－９ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ２ ８ ９． ２ ０ １ ４． ０ ４． ０ ０ １ ｊ
： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｗ ｅ ａ ｒ ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｗ ｅ ａ ｒ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｗ ｅ ａ ｒ ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｍ ａ ｓ ｇ ｇ ｇ ｐ ｙ
０ 引 言
疲 劳 载 荷、 电磁振动 微动 是 指 在 机 械 振 动 、 或热循环等交变载 荷 作 用 下 ， 接触表面间发生的 位移幅值一般为微米量 振幅极 小 的 相 对 运 动 （ ， 级） 这些接触表面 通 常 名 义 上 是 静 止 的 ， 即微动
］ １ ２ － 。 通常 ， 发生在 “ 紧固 ” 配合的机械部件中 ［ 微动
［ ］ １ Байду номын сангаас ２ ７ －
１ 金属材料的扭动微动磨损行为
图 １ 示出了 Ｌ 中碳钢 ） 在不同角 位 移 Ｚ ５ ０钢（ 幅值 条 件 下 ， 循环周次为１ ０ ０ ０次的 Ｔ － θ曲 ［ ］ ３， １ ５ 。 可见在较低角位移幅值 （ ） 下， 线 １ ° Ｔ－ θ＝０． ） ） ， 见 图 １（ 表明接触界面的相 ａ θ 曲线呈直线型 （ 对扭动由材料的弹 性 变 形 协 调 ； 但角位移幅值增 ， （ ） ） ， 循环 Ｔ － 见图１ 加到 ０． ２ ５ ° ｂ θ 曲线为椭圆型 （ 相对运动状态由完 全 滑 移 转 变 为 部 分 滑 移 ； 进一 （ （ ） （ ） ） ， 步增大 角 位 移 幅 值 到 １ 至 ７． 见 图１ ° ５ ° ｃ ｄ
］ ３ 。对 于 扭 动 微 动 的 研 究， 触区内发生的 失 效 ［ 目
摩擦学研 究 中 ， 分 为 微 动 磨 损、 微动疲劳和微动 腐蚀 ３ 类 。 在 实 际 工 程 中 微 动 现 象 对 应 的 微 动 运行状态 是 非 常 复 杂 的 ， 为 了 便 于 研 究， 通常对 根据接触体间相 于简单化 的 球／平 面 接 触 方 式 ，
： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｌ ｄ ｏ ｎ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｗ ｅ ａ ｒ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ－ ｐ ｇ ｇ
关键词 ：摩擦磨损 ；微动磨损 ；扭动微动磨损 ；微动图
（ ） 中图分类号 ： ＴＨ １ １ ７． １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７－９ ２ ８ ９ ２ ０ １ ４ ０ ４－０ ０ ０ １－１ １
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｓ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ Ｗ ｅ ａ ｒ ｐ ｇ
扭动微动磨损的研究进展和现状 ＊
蔡振兵 ，朱旻昊
（ ） 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室 ，成都 ６ １ ０ ０ ３ １
摘 要 ：扭动微动磨损是微动磨损的一种 ， 文中介绍了国内外扭动微动磨损的研究进展及成果， 综述了典
高分子材料和天然软骨的扭动微动 磨 损 的 研 究 结 果 ， 包 括 扭 动 微 动 的 摩 擦 运 行 行 为、 材料响应 型金属材料 、 行为 、 界面的摩擦化学行为 、 损伤物理模型和演变 规 律 等 ， 对于不同种类材料在部分滑移区、 混 合 区、 滑移区 的损伤规律进行了系统的总结 ， 发现了扭动微动运行 区 域 特 性 具 有 与 其 它 模 式 的 微 动 磨 损 不 同 的 特 点 等 一 并探讨了其今后的可能的发展方向和研究重点 。 系列现象 ，
］ ３ ， 对运动的不同 ， 微动可分为 ４ 种基本运行模式 ［
； 即： 或平移式 微 动） ① 切向 微 动 （ ② 径 向 微 动； ③ 转动微动 ； ④ 扭 动 微 动。 后 ３ 类 微 动 形 式 虽 然在工业中经常出现 ， 但对其研究报道却极少 。 扭动摩擦大量存 在 于 机 械 装 备 和 器 械 中 ， 例 如四千余年前苏美 尔 文 明 时 期 门 斗 ， 机车车辆转 再到人体植入器 向架与车体连接的 心 盘 的 磨 损 ， 械中的人工心脏瓣 膜 、 髋关节和膝关节杵臼状接
２
中 国 表 面 工 程
２ ０ １ ４年
［］ 行 。１ ８ ８ ２年， Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ４ 首 先 发 表 了 法 向 接 触 问 题
］ ２ ８ ３ ０ － ； 系数高于滑动 摩 擦 系 数 ［ 毛勇研制了一种铁 ］ ３ １ ； 路心盘端面扭动摩擦磨损疲劳试验装置 ［ 王时
的相关论文 ； １ ９ ５ １ 年， Ｌ ｕ ｂ ｋ ｉ ｎ对材料相同的两个 弹性球体 在 法 向 载 荷 作 用 下 的 扭 转 接 触 进 行 了 解析分析 ； １ ９ ８ ５年， Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 提出了扭转加载条 ［ ６ 、 件下圆形 椭圆域应力分 布 ］。２ ０世纪９ ０ 年 代，
［ ］ ５
龙模拟了 多 股 弹 簧 工 作 过 程 中 钢 丝 间 发 生 的 柱 研究了多股簧钢丝在扭动微 － 柱接触扭动微动 ， ］ ３ ２ ３ ３ － 。扭动微 动条件 下 的 运 行 行 为 和 损 伤 机 理 ［ 动研究近年来逐渐 兴 起 ， 文中对其研究结果和现 状进行了综述 。
法向力接触的两种 Ｊ ｅ ｒ对较小 扭 力 偶 作 用 下 ， ｇ 材料的接 触 状 态 处 于 粘 着 、 完 全 滑 移、 部分滑移 完善了 条件下 的 力 学 状 态 进 行 了 进 一 步 阐 述 ， 应用增 Ｌ ｕ ｂ ｋ ｉ ｎ 方程 。 在 Ｊ ｅ ｒ在 随 后 的 研 究 中 ， ｇ ］ ７ ８ － 。 量接触 法 则 解 释 了 倾 斜 和 扭 动 接 触 的 问 题 ［ 尽管对扭动接触的 摩 擦 学 研 究 已 经 开 展 了 多 年 ， 但是对于 材 料 的 在 扭 动 微 动 作 用 下 的 损 伤 研 究 不 多。 而 Ｂ ｒ ｉ ｓ ｃ ｏ ｅ和 Ｃ ｈ ａ ｔ ｅ ａ ｕ ｍ ｉ ｎ ｏ ｉ ｓ主要针对 ［ ２ ］ 。 ＰＭＭＡ 的 扭 转 微 动 行 为 进 行 了 试 验 研 究 ９－１ 近年来 ， 西南交通大 学 课 题 组 研 发 出 新 型 扭 动 微 动摩擦学试验设备 ， 对于不同材料的扭动微动摩 擦学性能开展 了 一 系 列 研 究 ，并 得 到 了 丰 富 的 研 究结果
。 另外 ， 王世博和张纱等开展了玻璃
） 育部创新研究团队项目 （ Ｉ Ｒ Ｔ １ １ ７ ８
前的研究 主 要 在 理 论 计 算 和 数 值 模 拟 方 面 来 进
；修回日期 ： ；基金项目 ：＊ 国家杰出青年科学基金 （ ） ；国家自然科学基金 （ ） ；教 收稿日期 ： ２ ０ １ ４－０ ７－０ ６ ２ ０ １ ４－０ ７－１ ６ ５ １ ０ ２ ５ ５ １ ９ ５ １ ３ ７ ５ ４ ０ ７ ，男 （ ，湖北黄冈人 ，副研究员 ，博士 ；研究方向 ：微动摩擦学及表面工程 作者简介 ：蔡振兵 （ 汉） １ ９ ８ １－ ） ；网络出版地址 ： ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版日期 ： ２ ０ １ ４－０ ７－１ ８ １ １∶１ ３ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ３ ９ ０ ５． Ｔ Ｇ． ２ ０ １ ４ ０ ７ １ ８． １ １ １ ３． ０ ０ １． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ］ （ ） ： 引文格式 ：蔡振兵 ，朱旻昊 ．扭动微动磨损的研究进展和现状 ［ Ｊ ．中国表面工程 ， ２ ０ １ ４， ２ ７ ４ １－１ １．
， Ｃ Ａ Ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ－ｂ ｉ ｎ Ｚ ＨＵ Ｍ ｉ ｎ－ｈ ａ ｏ ｇ （ ，Ｍ ， Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ － ｙ ｙ ｇ ｙ ｇ ， ） ｓ ｉ ｔ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｄ ｕ ６ １ ０ ０ ３ １ ｙ ｇ
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０ 引 言
疲 劳 载 荷、 电磁振动 微动 是 指 在 机 械 振 动 、 或热循环等交变载 荷 作 用 下 ， 接触表面间发生的 位移幅值一般为微米量 振幅极 小 的 相 对 运 动 （ ， 级） 这些接触表面 通 常 名 义 上 是 静 止 的 ， 即微动
］ １ ２ － 。 通常 ， 发生在 “ 紧固 ” 配合的机械部件中 ［ 微动
［ ］ １ Байду номын сангаас ２ ７ －
１ 金属材料的扭动微动磨损行为
图 １ 示出了 Ｌ 中碳钢 ） 在不同角 位 移 Ｚ ５ ０钢（ 幅值 条 件 下 ， 循环周次为１ ０ ０ ０次的 Ｔ － θ曲 ［ ］ ３， １ ５ 。 可见在较低角位移幅值 （ ） 下， 线 １ ° Ｔ－ θ＝０． ） ） ， 见 图 １（ 表明接触界面的相 ａ θ 曲线呈直线型 （ 对扭动由材料的弹 性 变 形 协 调 ； 但角位移幅值增 ， （ ） ） ， 循环 Ｔ － 见图１ 加到 ０． ２ ５ ° ｂ θ 曲线为椭圆型 （ 相对运动状态由完 全 滑 移 转 变 为 部 分 滑 移 ； 进一 （ （ ） （ ） ） ， 步增大 角 位 移 幅 值 到 １ 至 ７． 见 图１ ° ５ ° ｃ ｄ
］ ３ 。对 于 扭 动 微 动 的 研 究， 触区内发生的 失 效 ［ 目
摩擦学研 究 中 ， 分 为 微 动 磨 损、 微动疲劳和微动 腐蚀 ３ 类 。 在 实 际 工 程 中 微 动 现 象 对 应 的 微 动 运行状态 是 非 常 复 杂 的 ， 为 了 便 于 研 究， 通常对 根据接触体间相 于简单化 的 球／平 面 接 触 方 式 ，
： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｌ ｄ ｏ ｎ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｗ ｅ ａ ｒ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ－ ｐ ｇ ｇ
关键词 ：摩擦磨损 ；微动磨损 ；扭动微动磨损 ；微动图
（ ） 中图分类号 ： ＴＨ １ １ ７． １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７－９ ２ ８ ９ ２ ０ １ ４ ０ ４－０ ０ ０ １－１ １
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｓ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｆ ｒ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ Ｗ ｅ ａ ｒ ｐ ｇ
扭动微动磨损的研究进展和现状 ＊
蔡振兵 ，朱旻昊
（ ） 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室 ，成都 ６ １ ０ ０ ３ １
摘 要 ：扭动微动磨损是微动磨损的一种 ， 文中介绍了国内外扭动微动磨损的研究进展及成果， 综述了典
高分子材料和天然软骨的扭动微动 磨 损 的 研 究 结 果 ， 包 括 扭 动 微 动 的 摩 擦 运 行 行 为、 材料响应 型金属材料 、 行为 、 界面的摩擦化学行为 、 损伤物理模型和演变 规 律 等 ， 对于不同种类材料在部分滑移区、 混 合 区、 滑移区 的损伤规律进行了系统的总结 ， 发现了扭动微动运行 区 域 特 性 具 有 与 其 它 模 式 的 微 动 磨 损 不 同 的 特 点 等 一 并探讨了其今后的可能的发展方向和研究重点 。 系列现象 ，
］ ３ ， 对运动的不同 ， 微动可分为 ４ 种基本运行模式 ［
； 即： 或平移式 微 动） ① 切向 微 动 （ ② 径 向 微 动； ③ 转动微动 ； ④ 扭 动 微 动。 后 ３ 类 微 动 形 式 虽 然在工业中经常出现 ， 但对其研究报道却极少 。 扭动摩擦大量存 在 于 机 械 装 备 和 器 械 中 ， 例 如四千余年前苏美 尔 文 明 时 期 门 斗 ， 机车车辆转 再到人体植入器 向架与车体连接的 心 盘 的 磨 损 ， 械中的人工心脏瓣 膜 、 髋关节和膝关节杵臼状接