第1章 概述

1.1 微动疲劳的基本概念

1.1.1 微动疲劳的概念和基本术语

当相互接触的两弹性体处于振动工况时，虽然在法向（接触面法线方向）载荷的作用下，从宏观层面上接触表面保持“近似紧固”的状态，但在微观层面，由于切向（接触面平行方向）载荷以及两弹性体非协同形变的作用，会在接触区局部产生相对的滑动，这一相对滑动一般为微米量级，称之为“微动”（fretting）。如图1.1所示，由于微动的存在，机械零部件接触表面发生磨损，或引起疲劳裂纹的萌生与扩展，最终导致整个机械连接结构的失效。

微动疲劳（fretting fatigue）是指在交变载荷作用下，相互接触的两表面间发生微小的滑动（一般其位移量为微米级，通常在几微米到几百微米之间），进而加速疲劳裂纹的萌生和扩展，导致疲劳失效的现象。由微动磨损导致接触表面的损伤，在交变载荷的作用下，更容易发生疲劳破坏。相同试件的疲劳试验，存在微动作用时的疲劳寿命比不存在微动作用时的疲劳寿命降低30%～50%。对大量试验数据的研究发现，微动条件下材料的疲劳极限会降低到普通疲劳极限的1/4。罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce）对航空发动机的一些关键零件的研究表明，微动损伤导致构件的使用寿命下降约30%，特别是对长寿命构件的影响更严重。微动疲劳造成的失效在工业领域广泛存在，绝大多数的机械紧密配合，如螺栓连接、榫连接、铆连接和花键连接等都易发生微动疲劳现象。

由于微动现象与机理的复杂性，对微动问题的研究又分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀等几个研究方向，不同学者对微动概念的理解也有所不同。为便于表述和开展研究工作，本书以美国材料与试验协会（ASTM）规定的术语为准，一些主要名词和术语说明如下：

微动（fretting）：微小振幅的往复运动，通常为两接触表面的切向运动。

微动损伤（fretting damage）：由微动引起的接触表面的凹陷、划痕、剥落以及材料的转移。

微动疲劳（fretting fatigue）：在微动和脉动应力与应变共同作用下的微动损伤位置的裂纹形成、扩展及完全断裂的过程。

常规疲劳（plain fatigue）：一般用来描述不存在微动情况的疲劳问题。

微动磨损（fretting wear）：由于微动引起的磨损。

法向载荷（normal force）：接触界面法线方向的载荷。

切向牵引力（tangential force）：与接触界面平行的作用力。

滑移（slip）：接触表面的局部滑动。

部分滑移（partical slip）：在一个加载循环中，接触体的接触面上只有部分发生相对滑动的接触状态。

全局滑移（gross slip）：在一个加载循环中，接触体的接触面上所有对应点都发生相对滑动的接触状态。

滑移量（displacement amplitude）：峰-峰相对位移除以2或总循环位移除以4。

1.1.2 微动疲劳的损伤机理及其与微动磨损的区别和联系

微动疲劳是在微动损伤影响下的疲劳破坏。已有的研究表明，微动在大多数情况下影响裂纹的成核、微裂纹的萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹的形成和早期扩展，为微动裂纹的萌生和扩展提供了推动力。从宏观上讲，推动力包括：

（1）微动时作用在接触表面的切向力产生的剪切应力。根据剪切互等定理，材料微元体所受的剪切应力有两组，分别平行和垂直于接触表面。平行于接触表面的剪切应力引起平行于表面的裂纹，并在此方向上扩展，导致材料的脱层损失；垂直于表面的剪切应力引起垂直于接触表面的裂纹，并在垂直方向上扩展，形成疲劳裂纹。

（2）微动表面的接触压力。在接触区材料内部形成剪切应力和拉应力，促使在其作用方向上的裂纹萌生和扩展，对疲劳损伤起主要作用。

（3）受力结构承受的远端轴向载荷。发生微动疲劳破坏的构件一般情况下会承受平行于微动滑移方向的载荷作用，这种载荷与微动共同作用，是微动疲劳裂纹萌生和扩展的主要动力之一。

Sproles等对前人的研究成果进行了总结，提出了一个裂纹萌生模型，如图1.2所示。这一模型将微动疲劳裂纹的萌生过程分为4个阶段：

（1）由于接触表面微动摩擦力的作用形成深度为20μm左右的平行和垂直于表面的微裂纹层。

（2）微裂纹扩展形成表面脱层，进而形成磨屑。

（3）由于裂纹的增加形成深达50μm的深坑，疲劳裂纹从此处产生。

（4）经历脱层和磨损的表面应力分布复杂，形成不同方向的裂纹。

在裂纹萌生的初始阶段，往往会在深坑的底部形成多条微裂纹，在微动磨损的作用下，大部分微裂纹被磨掉，无法形成扩展型裂纹。只有少数裂纹在外加载荷的作用下形成最终的扩展型裂纹。这一过程又可分为两个阶段：

（1）在微动力和外加载荷的作用下向深度方向扩展。一般表现为裂纹沿与接触面倾斜的方向扩展。

（2）当裂纹达到一定深度后，微动作用逐渐减弱，对裂纹的进一步扩展已不起作用，从此裂纹扩展只受远端外载荷的作用。裂纹转向与接触面垂直的方向。

典型的微动疲劳裂纹扩展状态如图1.3所示。

作为一个接触问题，微动不可避免地涉及摩擦学和机械强度学等学科，因此谈到微动引起的疲劳问题时，不可避免地涉及接触表面的磨损问题。实际上微动现象正是磨损、疲劳等现象共同作用的结果。为了降低研究难度，研究者分别应用机械强度学和摩擦学的研究方法对微动问题开展研究工作，这就形成了所谓的“微动疲劳”和“微动磨损”的概念。

从研究的对象来讲，微动疲劳侧重于考察微动引起的裂纹形成、扩展和疲劳断裂的问题；微动磨损侧重于研究由于微动引起的黏着、磨料、氧化和磨损等问题。

从损伤机理来讲，微动磨损指两接触体在较大的接触压力和微动的共同作用下，在接触表面引发裂纹，在往复的微动作用下，裂纹扩展进而使接触表面的材料脱离母体形成磨屑，磨屑又进一步参与到接触表面的磨损中来。由于接触体除承受接触压力和微动所需的很小的推动力之外，不受其他形式载荷的作用，损伤的宏观表现形式为接触表面材料的剥落和磨损。该状态下，一般不会造成整个结构的疲劳破坏。微动疲劳指构件或材料一方面在表面某处受到微动的作用，另一方面自身还承受较大的外部交变载荷（拉压、弯曲、扭转及其合成载荷，称为远端载荷）。微动或微动与外载荷的共同作用使接触表面产生裂纹，进而扩展，宏观上表现为构件的疲劳断裂。

从接触状态来讲，微动疲劳一般发生在相对滑移量较小，接触表面处于局部滑移的状态下。此时接触区边缘位置的应力集中加大，磨损量相对较小，有利于疲劳裂纹的萌生和扩展，进而产生疲劳断裂。微动磨损一般发生在相对滑移量较大，接触表面处在全局滑动的状态下。在该状态下，接触表面整体的磨损率都较高，由于微动或外部载荷萌生的微裂纹很容易被磨掉，无法形成持续的扩展进而发生疲劳断裂，接触体的主要失效形式为磨损。

从载荷模式来讲，发生微动磨损的构件一般不承受（或承受较小的）外部载荷的作用，这就限制了疲劳裂纹扩展的动力，导致最终的失效形式为磨损。发生微动疲劳的构件一般会承受较大的外部交变载荷的作用，使微动作用产生的微裂纹有足够的扩展动力，最终发生疲劳失效。

虽然学术界将微动问题划分为微动疲劳和微动磨损两个方面，但实际工程中的微动问题往往是疲劳与磨损共同作用的结果。两者既存在竞争也存在耦合关系，需要针对具体问题，从损伤机理入手开展研究工作。