微动损伤及其防护

微动损伤及其防护
卫中山
汉胜工业设备（上海）有限公司
摘要：介绍了微动的危害及其损伤机理，分析了微动损伤的影响因素以及防护方法，综述了采用表面技术提高金 属材料微动损伤抗力的研究与应用。 关键词：微动损伤；微动图；表面技术
微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热 循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极 小的相对运动（位移幅度一般为微米量级），这些接 触表面名义上是静止的，即微动发生在“紧固”配合 的机械部件中…。微动不仅可以导致表面磨损，引 起配合面咬合、松动、电阻增加、噪声或环境污染等， 还会加速裂纹的萌生和扩展，使工件的疲劳寿命大 大降低¨。３ｊ。微动作用通常使材料的疲劳极限降低 ２０％～５０％，有时甚至降低得更多Ｈ Ｊ。微动破坏过 程中，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀都有可能发 生，当某一损伤形式占主导地位时，最终便表现为这 一损伤失效模式。这样，随着微动条件的变化，微动 失效模式的变换也是可能的。
２３４．
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位移／ｐ．ｍ ｂ．材料响应微动图 冬 Ｒ 厦 燃 位移，斗ｍ ａ．运行工况微动图
圈１微动图（２０９１铝合金）…
（１８８》
－机械与密封・
在微动的滑移区．在吾｜ｉ分滑移医的微动破坏比较轻 微；由微动引起的裂纹优先在混台区萌生．并随着循
外，还与环境，应用要求等密切相关．闻此可以采取
ＩＩ勺减埋徽动损伤的方法也很多．要具体情况具体分
３
３表面浍层和镀腱 金属涂层分为硬金属涞层和戟金属潦层，二者
均可用来改善材料的抗微动损伤性能。软金属的届 服强度和势切强度低．在微动作用下反复地剪开和 愈合．辩徽动限制在潦层巾．锞护了基体表面。钍台 金上爆炸喷潦ＣｕＮｉｌｎ软金属埭层．萁微动疲劳强度
目３撖动Ｅ的裹ⅢⅣ靛ＣＴｅＡ＃台盒ｌ
为常规疲劳强度的６３％．而柬喷擦的钛台金仅为 ４８％。。软金属涂层主要用于减磨．不宜用于各种 夹压联结件。硬金属踩层在减轻微动磨损方蘑有一 定效果．但潦层一般产生张应力．不宜用于改善材料
３微动损伤防护技术
影响馓动的因素很多．除受激动运行参数影响
・机械与密封・
的微动疲劳性能。 非金属涂层也有软、硬之分。软质非金属涂层 主要指固体润滑剂涂层及有机涂层，其特点是柔韧 性好，摩擦系数小。有机涂层具有良好的润滑、减摩 效果，可以用来提高金属材料的微动疲劳性能，如聚 四氟乙烯（ＰＴＦＥ）涂层使钛合金微动疲劳强度提高 了４０％Ｌ１０］。有机粘结ＭｏＳ，、石墨等固体润滑剂用 于钛合金叶片榫头的微动疲劳防护是航空发动机工 业广泛采用的方法，在其使用温度范围内能有效地 提高钛合金的微动疲劳性能。针对铁路机车柴油机 连杆与连杆盖齿型配合面上经常出现的齿根裂纹问 题，在配合面上喷涂粘结ＭｏＳ：涂层，有效提高了抗 微动磨损性能，使用效果良好…。 硬质非金属涂层主要是一些陶瓷类涂层，如等 离子喷涂陶瓷粉末涂层、离子镀硬质膜、溅射陶瓷涂 层及类金刚石膜等。磁控溅射ＴｉＣ、ＴｉＢ，等膜层对金 属材料的抗微动损伤也有较好的效果。 电镀、化学镀、电刷镀等工艺的膜基结合强度较 低，并有氢脆隐患、降低常规疲劳强度、环境污染等 问题，一般不宜使用。 ３．４高能束表面处理 激光淬火可以细化金属材料的表层组织，提高 表面硬度，降低摩擦系数，还在改性层形成残余压应 力，故能有效减缓微动损伤。张明¨川的研究表明， 激光扫描表面处理使ＴＣ４钛合金的微动疲劳寿命 比未处理试样提高了３５％。 金属蒸汽真空弧离子源离子注入是上世纪末发 展起来的新技术，可以根据工艺需要引出各种强流 金属离子束，不仅能在材料表面产生间隙原子、空 穴、位错等辐照损伤、增强扩散、超饱和固溶体等效 应，还具有表面自润滑和表面抛光作用。２×１０＂／ ｃｍ２剂量的Ｍｏ离子注入ＴＣ４钛合金，可使其微动磨 损体积比未处理试样减少４３％¨引。 ３．５复合表面技术 微动的特点是既有接触条件下的微动磨损作 用，又承受疲劳载荷，减缓其破坏的难点在于抗磨损 和提高疲劳强度的措施往往是互相矛盾的。在既要 抗磨又要提高疲劳强度时，可考虑复合处理。例如， 在合金表面制备ＣｒＮ、ＣｕＮｉｌｎ膜层，然后进行喷丸处 理，其效果优于单一喷丸者。单纯渗氮处理有损于 钛合金的微动疲劳抗力，但以喷丸强化为其后处理
微动实例
微动损伤现象普遍存在于各类紧配合构件中，
荟 Ｒ 厦 燃
代表性的场合有： （１）铆钉、螺纹和销轴连接件。如铆钉头与板 之间、两块被铆板之间、铆钉侧面和板孔之间都是容 易发生微动损伤的位置。 （２）榫槽和花键配合。 （３）过盈配合。热套配合和压配合的配合面， 轴承和轴承座之间、轴瓦和座孔之间的过盈配合面 等，名义上是静止的，但在交变载荷下，都可能产生 微动，出现微动损伤。 （４）紧固和夹持机构。如斜拉钢索在夹持器边 缘产生的微动磨损和微动疲劳。 （５）振动环境中的零件。如高空电缆及其悬挂 机构、钢丝绳、汽车板簧、运输中的滚动轴承和金属 板卷等。
１
２微动损伤理论
周仲荣¨．５１等基于球．平面接触微动磨损实验 结果，提出了“运行工况微动图”来描述微动接触区 相对运动状况，“材料响应微动图”来描述与运行工 况微动图相对应的材料损伤形式，如图ｌ所示。这 两个图的边界不一定完全重合。从图１（ａ）可看 出，在极小的位移或较大的接触应力下，微动过程处 于部分滑移区，接触表面间的运动靠表面层的弹性 变形来实现；反之，微动过程处于滑移区；混合区介 于二者之间。图ｌ（ｂ）显示，材料的磨损主要发生
参考文献
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（１９０》
・机械与密封・
时，则可达到联合提高合金微动疲劳抗力的目的。 这是由于渗氮层有良好的减摩抗磨性能，而喷丸层 可有效地阻止裂纹扩展‘１３１。
４
结束语
微动损伤看似非常特殊、狭窄，其实十分普遍。
因早期损伤很难被检测到，所以其破坏具有隐蔽性， 当发现时有可能已发生灾难性后果。深入研究微动 损伤机理，推广基础研究成果在工业中的应用，加强 对典型机械构件中的微动损伤研究，合理选材，优化 结构设计，并应用系统工程的方法选用合适的表面 工程技术，有效提高材料的微动损伤抗力，具有重要 的现实意义。
析，在不同场合Ｆ采取的措旌甚毫可能是相反的， 主要从阴个方而考虑防护措施： （１）消除或蛾少振动； （２）改进结构设计或服役条件，降低接触界面 间的相对运动幅度，使嗽动尽量运行干部分滑移 状态： （３）使用润滑剂降低摩擦力； （４）采用表面工程技术提高材料的表面强度， 降低摩擦系数。 下面着重介绍表面工程技术在微动损伤肺护方 露的应用。 ３１表面机械强化 喷丸、旋片拍打和冷挤压等表面机械强化处理 工艺简单、散果好，巳在生产实际中广泛应用，是公 认的提高金属材料傲动损伤抗力最有效的方法。喷 丸处理可使微动疲劳寿命成倍提高。在喷丸强化三 要索（表面加工硬化、残余压应力０【＾、表面粗糙度 增大）中．表屡残余压应力的引人是最为重要的因 素，而表面加工硬化的作用处于次要地位“，但 是，此类表面处理上艺处理后的工件若在高温场台 使用．可能退火而失去冷作硬化的效果。工件在服 役过程中产生的疲劳软化现象．导致残泉垭应力逐 渐橙弛．也会降低加工硬化的效果。
ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｔｒａｎｓａｃ．
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ｋｔｔｉｌｌｇ ｆａｔｉｇｕｅ［Ｊ］．Ｒａｒｅ ｍｅｔａｌｓ，１９９９，１８（３）：２２９・
２表面热赴理
各种表面热处理技术．如表耐淬火洛氮溶碳、
等高于氰化等．以及激光氮化、离子渗金属等新技
术．也被用来减缓材料的徽动损伤；Ｃａａｏｎ”等研 究丁誊氯层的微动性能．发现其表面损伤程度随表
晰机械强度的提高嗬降低，特别是残余压应力和较
高的埘服强度降低ｒ表而承受的有效载荷．使裂纹 形桉时间延长．扩展速率降低，因而磨损减少，激动 疲劳寿命大大提高。
ｆｒｅｔｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９９，２３１：１７９－１８４． ［１１］张明，王珉。左敦稳．ＴＣ４钛合金微动疲劳特性的研究［Ｊ］． 机械设计与制造，２００２（１）：１２．１３． ［１２］卫中山，王珉，张明．Ｍｏ离子注入提高ＴＣ４合金微动磨损抗 力的研究［Ｊ］．机械科学与技术，２００５，２４（６）：６７９－６８１． ［１３］刘道新，陈华，何家文．等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合 金抗微动损伤性能［Ｊ］．材料热处理学报，２００１，２２（３）：４９．
３
环次数的增加迅速向滑移区和部分滑移区扩展。因
此，混台区是馓裂纹起源和扩展最危险的区域；因 此．采用表面工程技术强化表面、改善摩擦条件．使
傲动尽量位于部分滑移区，是减疆微动损伤的常用
方｝击．这方面的研究十分括跃。 ｎ中山“使用图２所示的装置研究了ＴＣＡ钛 合金的微动疲劳．固３是微动区的表面形貌．可眦看 到疲势裂纹首先在徽动区萌生，然后沿近似垂直于 循环应力的方向扩展。微动带来的磨损、接触疲劳、 塑性变形等玻坏因素破坏了材料表面的完整性．造 成了应力集中，有利于疲劳裂纹的萌生和扩展７； 因此．在存在徽动时．材料的疲劳寿命会大大降低，
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Ａ，Ｃｏｎｎｅｒ
Ｂ Ｐ，Ｌｅｅ
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ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｆｉ．
ｃｏｎｔａｃｔ
ｇａｔｉｏｕ ｏｆ ｆｒｅｔｔｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｉｎ Ｔｉ－６ＡＩ－４Ｖ：ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｉｏｎｓ
ｃｏｎｄｉ・
ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ