钛合金TC11微动疲劳特性研究

以航空发动机榫连接结构微动疲劳问题的简化模型为研究对象,设计和制造了一套采用液压加载方式来实现微动疲劳法向载荷施加的试验装置,用于研究钛合金TC11微动疲劳的损伤过程,并对试验过程中在接触区域萌生裂纹的试件断口进行观测。研究结果表明:保持法向载荷恒定不变,增加轴向载荷将减少微动疲劳寿命。同样,保持轴向载荷恒定不变,法向载荷对微动疲劳寿命影响不如轴向载荷显著。另外,等效应力和滑移幅值是微动疲劳寿命的主要影响因素。     

中性腐蚀环境下钢丝的微动疲劳行为

在自制的微动疲劳试验机上开展中性腐蚀环境下单根钢丝的微动疲劳实验,考察在相同接触载荷下,不同振幅对钢丝的微动疲劳行为的影响,并用扫描电子显微镜观察疲劳钢丝的磨痕和断口形貌,研究钢丝微动疲劳断裂机制.结果表明:在较大的振幅下,钢丝的微动区均处于滑移状态,而在较小振幅下,钢丝的微动区从滑移状态逐渐转变为黏着状态;磨损机制主要为磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和塑性变形;钢丝疲劳寿命随着微动振幅的增大而减小;钢丝的疲劳断口可分为3个区域,即疲劳源区、裂纹扩展区及瞬间断裂区.     

AZ91D镁合金微动磨损特性研究

采用液压高精度材料试验机考察了平面一球面接触的AZ91D镁合金摩擦副的微动磨损行为，分析了位移幅值、法向载荷和频率等参数对摩擦因数和磨损体积的影响，考察了不同实验条件下的磨斑形貌，并探讨了其磨损机理。结果表明：AZ91D镁合金的微动区域可分为部分滑移区、混合区和滑移区3个区域，粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损分别是3个区域的主要磨损机制；磨损体积随着位移幅值和法向载荷的增加而增大，但却随着频率的增大而减小。在微动部分滑移区和混合区，摩擦因数随着位移增大迅速增加；在微动滑移区，摩擦因数随法向载荷的增大而减小，而位移幅值和频率对摩擦因数的影响较小。     

轴向和法向应力对DD3和DZ125镍基合金微动疲劳性能的影响

在自行设计的微动疲劳试验装置上进行了各向异性镍基合金DD3和DZ125与粉末高温镍基合金FGH95配对接触的微动疲劳试验,对接触区域萌生裂纹的断口形貌进行了观察,分析了轴向和法向应力对微动疲劳寿命以及微动接触区最大等效应力(Von-Mises等效应力)、滑移幅值、法向应变幅值等微动疲劳参数的影响。结果表明:保持法向应力不变,增大轴向应力将会降低DD3和DZ125合金的微动疲劳寿命;保持轴向应力不变,法向应力对微动疲劳寿命的影响不如轴向应力的显著;微动接触区域的最大等效应力和法向应变幅值受法向应力和轴向应力的共同影响,而滑移幅值仅受轴向应力的影响。     

人股骨皮质骨轴面微动摩擦磨损特性研究

采用高精密微动试验台外加体液恒温循环装置,在一定法向载荷和不同位移幅值条件下,研究了天然活性人股骨皮质骨对纯钛的微动摩擦磨损行为。试验结果显示：随位移幅值的增加,股骨皮质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变,详细讨论了不同位移幅值下摩擦因数随循环次数的演变规律。微观观察表明：接触表面处于部分滑移状态时损伤轻微,而在完全滑移状态下磨损较严重。人股骨皮质骨的磨损机理主要表现为磨粒磨损和微骨折导致的剥层剥落。微动磨痕的深度随位移幅值的增加而增加,而且磨痕深度与摩擦因数有很好的对应关系。研究认为控制植入体/骨界面的微动幅度有利于提高皮质骨抗微动损伤的能力。     

基于临界面法的高强度铸造铝合金微动疲劳特性研究

用ANSYS对高强度铸造铝合金的微动疲劳特性进行仿真模拟,得到接触面上的应力、应变分布规律;基于SWT临界面法预测微动裂纹的萌生位置,用实验值拟合得到微动疲劳寿命预测参数并用临界面法预测微动疲劳寿命。结果表明:在法向夹紧力不变时,微动疲劳寿命会随着轴向力的增大而减小,且轴向力存在一个临界值,超过这个临界值,构件寿命会急剧下降。在HYS-100型微动疲劳试验机上对高强度铸造铝合金的微动裂纹萌生位置及寿命进行实验验证。结果表明,SWT临界面法预测裂纹萌生位置与试件实际断裂位置一致,预测寿命与实际寿命在误差允许范围内。     

微动接触应力的有限元分析

以方足微动桥,试样接触几何条件为研究对象,应用ANSYS有限元分析软件对其接触面上的应力分布进行弹性有限元分析,验证用ANSYS所建计算模型的正确性,分别计算不同名义接触压力和不同摩擦因数条件下接触状态（粘着区、滑动区、张开区）和接触面应力分布,选取不同水平的循环载荷进行计算,研究接触状态和应力分布随循环载荷的变化情况。结果表明,微动疲劳过程中接触表面拉应力与剪应力在接触面的粘,滑交界区存在突变,微动疲劳裂纹正是在这一区域内萌生并扩展,计算结果与实验结果吻合很好。     

微动接触疲劳机理的数值分析研究

工作中的两部件由于受到循环载荷作用产生微动,加上接触区边缘的高应力梯度,会导致部件接触表面损伤、产生裂纹,进而造成微动疲劳,严重降低零部件的使用寿命。针对常见微动疲劳问题,利用有限元软件ABAQUS进行数值分析,得到接触区的最大接触应力,与牛津大学Hills提出的接触理论计算得到的解析结果进行对比,验证有限元模型的准确性,分析法向载荷、轴向载荷对相对滑移、接触应力、等效应力、Ruiz参数κ2等的影响,进而确定其对微动疲劳的影响。综合分析结果,微动疲劳多发生在两部件接触区的边缘,且微动疲劳问题主要与滑移幅值及接触区的状态密切相关。     

高强度铸造铝合金微动疲劳特性研究

用ANSYS对高强度铸造铝合金的微动疲劳特性进行仿真模拟,得到接触面上的应力、应变分布规律;基于SWT临界面法预测微动裂纹的萌生位置,用实验值拟合得到微动疲劳寿命预测参数并用临界面法预测微动疲劳寿命。结果表明：在法向夹紧力不变时,微动疲劳寿命会随着轴向力的增大而减小,且轴向力存在一个临界值,超过这个临界值,构件寿命会急剧下降。在HYS 100型微动疲劳试验机上对高强度铸造铝合金的微动裂纹萌生位置及寿命进行实验验证。结果表明,SWT临界面法预测裂纹萌生位置与试件实际断裂位置一致,预测寿命与实际寿命在误差允许范围内。     

TiAlZr合金微动磨损性能研究

采用高精度液压式微动磨损试验机研究了TiA lZr合金在不同微动运行区域的微动磨损行为,建立了其运行工况微动图。试验结果表明:滑移区、混合区和部分滑移区的摩擦因数随循环次数变化呈现不同的规律,其中部分滑移区摩擦因数较低,磨损体积随着位移幅值的增大而增大;滑移区、混合区磨损体积随着法向载荷的增加而增大,而部分滑移区磨损体积随着法向载荷的增加而减小;滑移区磨屑堆积于中心区域,磨损以磨粒磨损和剥层机制为主;混合区磨损机制主要表现为粘着磨损与磨粒磨损并存;部分滑移区磨损轻微。     

基于有限元分析的裂纹比拟法估算微动疲劳寿命

采用Ansys有限元软件对方足微动桥/平面试样接触状态进行分析,确定试样微动接触面上应力场分布和接触面三区(黏着区、滑移区、张开区)分布特征,分析接触面上接触状态随外加交变载荷的变化规律,在此基础上改进微动疲劳(fretting fatigue,FF)寿命估算的裂纹比拟法(crack analogue method,CAM)。选取不同水平的循环载荷及不同名义接触压力对Ti811钛合金试样在350℃下进行微动疲劳试验,验证改进裂纹比拟法(modified crack analogue method,MCAM)的准确性。结果表明,微动疲劳中接触面压应力与剪应力在黏/滑交界区存在突变,张应力幅在滑移/张开分界处达到最大值,裂纹易在此萌生并扩展。改进的裂纹比拟法估算值与实验结果取得良好的一致性。     

高压输电导线的微动磨损行为研究

在弯曲疲劳试验装置上对高压输电导线--LGJ150/25型钢芯铝绞线进行微动试验,轴向静载荷为30 MPa,振动频率为10 Hz,弯曲振幅为1 mm.经5×106周次循环振动后,利用电镜扫描分析线夹处导线的微动磨损斑形貌特征.在磨损斑表面观察到大量磨屑,经分析其成分为氧化铝.根据磨损斑形貌的分布规律将导线的微动区域划分为微动粘着区、微动滑移区以及微动混合区.在微动粘着区的磨损斑有很大的塑性变形,磨损区有少量的裂纹产生.微动滑移区与微动混合区内磨损斑表面有片状剥离物存在,并且在剥离物周围有大量显微裂纹,裂纹长度较长.     

钛合金球与骨水泥界面之间的微动磨损机制研究

采用钛合金球与自制骨水泥试样以球/平面接触方式,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展干摩擦和25%小牛血清介质中切向微动磨损试验研究,考察钛合金球与骨水泥界面之间的微动运行特性,并采用S-3000N型扫描电镜观察磨痕形貌来分析其微动磨损机制。结果表明:随着微动振幅的增加,微动运行由部分滑移区向混合区转变。随着接触载荷的增加,试样接触面之间更容易发生黏着。与干摩擦相比,在小牛血清溶液中部分滑移区向较大振幅区扩展。部分滑移区摩擦因数值较低且保持稳定,混合区的摩擦因数先增大后保持不变。稳定摩擦因数随着接触载荷的增加而减小,随微动振幅增大而增大。骨水泥试样的磨损量在小牛血清介质中比在空气中大,并且随接触载荷增大而增大。骨水泥在小牛血清介质中微动磨损的损伤机制主要为黏着磨损和疲劳磨损,溶液分子在应力作用下对骨水泥基体有削弱作用。     

交变法向载荷作用下2024铝合金的微动疲劳试验研究

针对法向交变载荷作用下的2024铝合金微动疲劳失效问题开展了试验研究。设计了可施加交变法向载荷与远端载荷的双轴加载微动疲劳试验系统。通过Abaqus有限元分析，对试验台法向加载装置进行分析计算，考察了法向加载时力传导误差与微动垫摆角对试验精度的影响，验证了试验机加载的精度。进而研究了在交变法向载荷作用下，0°、45°、90°三种不同相位差对2024铝合金疲劳寿命的影响。试验结果表明，随着相位差的增加，2024铝合金试件的寿命逐渐增加。通过对磨损状态的分析发现，0°与45°相位差下，磨损的影响较小，寿命随着相位差的增大而增长；90°相位差时磨损较为严重，在磨损与疲劳损伤的共同作用下，90°相位差状态下试件的疲劳寿命进一步增加。试件微动疲劳寿命在交变法向载荷作用下的整体趋势为：随着相位差的增加寿命延长，随着相位差的增加，磨损增加。     

空心轴过盈配合结构循环微动磨损的仿真研究

基于Archard磨损模型建立空心轴过盈配合结构的微动磨损模型,通过有限元计算得到两种过盈量空心轴在微动循环周次的变化下配合面磨损轮廓和接触压应力、摩擦切应力、滑移幅值等微动参量,并与其中一种过盈量的实心轴过盈配合结构相应计算结果进行对比。结果表明,在相同过盈量和外载条件下,空心轴过盈配合结构的微动磨损程度大于实心轴过盈配合结构;在微动磨损对配合面形貌的影响下,空心轴配合面上的微动参量随循环周次增加的变化规律与实心轴结构基本一致:循环周次增加,接触压应力、摩擦切应力和滑移幅值随之增大;接触压应力峰值位置向配合中心移动;摩擦切应力峰值由粘着-滑移交界处向磨损-未磨损交界处转移,并向配合中心移动;增大空心轴过盈配合结构的过盈量能减小空心轴微动磨损的程度。     

柴油机连杆衬套微动疲劳裂纹萌生位置预测方法

针对过盈配合的连杆小头和衬套之间存在的微动疲劳现象,建立连杆有限元模型,用ANSYS软件对其进行微动疲劳仿真,提取并分析连杆-衬套接触区上的应力、位移数据,分别用RUIZ综合参数法、MSR临界面法、基于损伤力学的热力学耗散势函数法预测衬套微动裂纹萌生位置。结果表明,3种方法预测的裂纹萌生位置保持一致,即衬套接触边缘内侧最易萌生微动裂纹。用方足桥-试件模拟件进行微动疲劳实验验证。结果表明,3种方法预测位置与实验试件断裂位置保持一致,其中基于热力学势函数法预测结果最为准确。     

柴油机连杆衬套微动疲劳裂纹萌生位置预测方法研究

针对过盈配合的连杆小头和衬套之间存在的微动疲劳现象,建立连杆有限元模型,用ANSYS软件对其进行微动疲劳仿真,提取并分析连杆-衬套接触区上的应力、位移数据,分别用RUIZ综合参数法、MSR临界面法、基于损伤力学的热力学耗散势函数法预测衬套微动裂纹萌生位置。结果表明,3种方法预测的裂纹萌生位置保持一致,即衬套接触边缘内侧最易萌生微动裂纹。用方足桥-试件模拟件进行微动疲劳实验验证。结果表明,3种方法预测位置与实验试件断裂位置保持一致,其中基于热力学势函数法预测结果最为准确。     

不同加载条件下柱面/平面微动磨损有限元分析

在ABAQUS中建立柱面/平面微动磨损模型,设置不同的加载条件,分析接触区域的接触应力和相对滑移距离,获得了区分两种滑移状态的临界函数。结合能量模型和FORTRAN语言编写适用于本模型的UMESHMOTION子程序,实现了磨损表面节点的动态更新,建立了动态磨损模型。通过对不同情况下磨损深度和磨损体积的仿真分析,获得结论:随循环次数的增加,磨损深度、磨损宽度和磨损体积都随着增大,部分滑移状态的磨损体积远小于完全滑移状态的磨损体积;循环次数和法向载荷为定值时,随位移幅值的增加,磨损宽度、磨损深度和磨损体积都随着增大,部分滑移状态的磨损体积很小且增长缓慢,完全滑移状态的磨损体积增长迅速;循环次数和位移幅值为定值时,在完全滑移状态,随法向载荷的增加,磨损深度和磨损体积先增大再减小;在磨损体积先增大再减小的过程中,存在一个最大值,对应的法向载荷和位移幅值称为危险加载条件,通过揭示不同位移幅值时危险加载条件的变化规律,为避免该条件的出现提供了理论依据。     

聚四氟乙烯基粘结固体润滑涂层微动磨损性能研究

在不同位移幅值与载荷条件下研究了酚醛环氧粘结聚四氟乙烯(PTFE)基固体润滑涂层的微动磨损特性，并利用扫描电子显微镜、表面轮廓仪和傅里叶表面红外仪等对涂层磨斑进行分析。结果表明，粘结PTFE基涂层具有良好的抗微动损伤性能，随循环次数的变化只存在部分滑移区和滑移区，部分滑移区的损伤轻微，滑移区的损伤强烈依赖于栽荷，其损伤与PTFE分子链在往复交变载荷作用下的疲劳断裂相关。     

微动疲劳参数对钢丝微动疲劳磨损演化的影响*

微动疲劳易引起钢丝表面磨损和横截面积损失,进而造成钢丝断裂失效并缩短钢丝绳使用寿命。不同微动疲劳参数（接触载荷、疲劳载荷、钢丝直径和交叉角度）引起差异的钢丝微动疲劳磨损特性,故研究微动疲劳参数对钢丝微动疲劳磨损演化规律影响至关重要。基于摩擦学理论和Marc仿真软件构建钢丝微动疲劳磨损模型,探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度和钢丝直径对钢丝微动疲劳磨损演化的影响规律。结果表明：钢丝微动疲劳磨损体积主要与接触载荷和疲劳载荷有关;疲劳钢丝的磨损深度、磨损率及磨损体积随着接触载荷的增加而增大,且不同接触载荷下疲劳钢丝磨损体积均随着循环次数的增加而呈线性增加;随疲劳载荷幅值的增加,疲劳钢丝的磨损深度、磨损率及磨损体积均呈增加趋势;在不同疲劳载荷范围下疲劳钢丝的磨损体积均随着循环次数的增加而呈线性增加;当接触载荷、疲劳载荷及钢丝间摩擦因数相同时,不同交叉角度和不同加载钢丝直径下疲劳钢丝的磨损体积相同。