铝合金材料的微动疲劳及其防护研究进展

摘要:主要论述微动疲劳的研究的必要性和微动疲劳的基本概念。我们研究微动疲劳主要从4个部分来进行论述,即微动疲劳的影响因素、机理研究、防护方法和寿命预测的发展过程,其中机理研究和防护方法我们要着重阐述一下,这是有效防范或者减轻微动疲劳的对铸件的伤害的根本。最后根据其研究情况,提出一些尚未得到解决的问题,有待以后研究攻破。

关键词:微动疲劳;微动疲劳的防护;微动疲劳的机理;铝合金

0 前言

什么是微动,微动就是工程设备和机械系统由于服役于机械振动或交变载荷下,两个相互接触表面之间发生了极小幅度的运动,一般以微米量级为位移幅度,一般在10~100微米之间。微动按其损伤形式可以分为三类:微动疲劳、微动磨损和微动腐蚀,其中三种损伤形式危害最大的要是最为常见的就是微动疲劳。微动和交变载荷能导致疲劳裂纹早期的萌生,并且加速其扩展,长此以往最后可能导致构件材料达到疲劳极限,当达到材料弹性极限时,这一现象被称为微动疲劳。由于铝合金材料广泛应用于各类结构和工程机械中的微动疲劳的现象十分普遍,甚至有的时候会造成难以想象的灾难后果。

1 材料微动疲劳的现状研究

1.1 材料微动疲劳实验研究

就目前而言还没有微动疲劳研究的标准实验方案,尽管研究人员早在1911年就观察到微动疲劳损伤现象,但是对其机理的认识的还是不够清楚。大多数的研究者都认为微动疲劳破坏要经过4个阶段:裂纹萌生、早期扩展、后期扩展、构件失稳断裂。由于裂纹的萌生和早期扩展是疲劳的主要因素,那么微动和腐蚀则的加速了这两个过程,所以研究者们始终要围绕着微动疲劳裂纹的萌生和早期扩展行为这两个过程的。现在研究者已经提出了很多的观点关于微动疲劳裂纹萌生的机理的由来,但是截至到目前还没有一种非常完整的理论能解释研究者所观察到的微动损伤现象和实验结果,只是每个理论都仅仅解释其中的一部分。期试验方法是:研究者利用钢芯铝绞线48/7的导体在相对振动幅度和一定的牵引力下进行了疲劳测试,发现疲劳强度降低的主要因素是由微动疲劳引起的,并且悬垂线的夹口和微动诱发在边缘处。另一些研究者还介绍了零件在受到弯曲作用影响情况下的三维弹塑性有限元研究,以用于计算发生微动疲劳断裂的接触边缘的应力和位移。另外等通过数学方法和实验,研究了用于地面交通设备的普通铝合金微动疲劳形成的裂纹萌生和扩展。另外在航空航天应用的铝合金的测试是在液压伺服装置控制的圆柱平面接触的微动疲劳设备上进行的。研究人员考虑了所有相关参数除了平均体积载荷外和变化平均体积应力,但为促使裂纹的萌生保持较高的压力。研究人员还利用特殊的微动疲劳试验装置全程对接触区域附近裂纹的萌生进行了细致的观察,并且提供了清晰的裂纹萌生微观结果。还有研究者提出了一种新的设计为微动实验,分别控制切向和正向试样的体积应力以及接触载荷,对于参数有着显著的影响,并且可以单独进行测量,大大减少了人力和研究成本。

1.2 微观结构对材料微动疲劳的影响

上文我们对微动疲劳提出1裂纹萌生;2裂纹早期扩展;3裂纹后期扩展;4构件失稳断裂,这四个阶段,目前研究者也是基于这4个阶段进行实验,裂纹的萌生和早期扩展是导致疲劳主要因素,所以微动疲劳损伤机理的研究大多都是围绕着微动疲劳裂纹的萌生和早期扩展行为,研究者等研究了铝合金试件的微动疲劳行为,通过观察微动损伤区裂纹的形核,结果表明材料的微观结构是微动退化的主要原因。在实验材料中,材料微观结构的不同可以改变微动疲劳损伤的起始点。在与普通的疲劳相比较,导致样品寿命的降低的是循环载荷下的微动行为。共交显微镜和SEM来观察微动损伤对裂纹形核的作用的照片,发现多重裂纹形核的位置与多重损伤点的形成有关。该测试表明,表面微动导致形核了的出现,而表面的微动导致形核而产生的是由于严重的微动损伤和裂纹的形成。起始非连续状态和微观结构,点蚀位置,深度,形状以及大小,表面区域和体积这些相关因素的相互作用,使微动引起的裂纹形成。另外研究者通过航空铝合金的微观结构特征的研究,发现了对微动反应的影响,通过样本微观形态和裂纹长度测量表明,这些以微观特性的合金的微动反应无明显差别。还证明了微动形成的裂缝在整个寿命的1%至8%成核,研究者运用微动测试系统对试件进行测试,多轴疲劳研究的基础是应力-应变循环实验,实验中机体的所有的点都受到微动载荷的影响,接触的后缘是裂纹形成的关键位置,这与实验室的观察结果是相同的。从裂纹形成方面和铝合金点蚀是主要因素,对微动疲劳的寿命下降进行了分析。对于55%的样品裂纹主要还是从点蚀开始形核。

1.3 微动疲劳影响因素研究

微动疲劳对铸件材料伤害是非常大的,从而研究它的影响因素是必要的,通常认为微动疲劳是疲劳联合和微动磨损作用的过程,谈及到磨损摩擦、腐蚀和疲劳3种形式。影响微动疲劳过程因素非常多其中包括:材料学、物理学、化学和力学等等。并且据不完全统计影响微动疲劳过程的因素多大50多种。另外有学者认为影响微动疲劳分为3个范畴:环境条件、接触条件和材料行为及特性。还有研究人员少将其划分为环境条件,力学、物理学但是这些因素都起不到决定性的作用。另外有学者认为结构受力状态、温度、位移幅、环境、材料的组织与性能、频率、接触压力、微动循环数是影响微动疲劳的主要因素。还有学者持不同看法则认为接触压力、摩擦系数和位移幅度是影响的因素,而这三个因素中摩擦系数是主要因素。通过对压力和应力幅值对微动过程的影响的研究和滑移幅值对微动过程的影响的研究。得出了结论摩擦系数的最重要,然而实际中位移幅值的变化直接影响了摩擦系数的变化。因此,上述结论各有各的说法而且都可以说通,但是可以肯定外界因素的变化会直接影响到微动疲劳。

2 铝合金微动疲劳防护研究

上述了微动疲劳的产生,影响以及危害,所以研究一下铝合金疲劳的防护是非常必要的,众所周知微动疲劳的影响因素

颇多,因此针对不同的影响因素要采取不同的防护措施。目前针对微动疲劳损伤可以从二个方面加以控制。第一个是材料的选择、在微动疲劳中表面疲劳和粘着起主导作用,所以表面疲劳性能和抗粘着是选材料的首要必须考虑的,然后抗腐蚀性能和整体疲劳性能也是选材料时次要考虑的。近年来通过对各种金属材料进行了微动损伤的研究,发现复合材料和非金属材料具有良好的抗微动损伤性能,也得到了广泛的重视和应用。

第二个是材料的表面性能与表面改性技术材料的耐损伤能力是不可分离息息相关的,所以有学者研究改进材料的表面的技术来提升抗微动疲劳能力,主要是通过提高微动接触面的硬度或者降低摩擦系数、屈服强度的手段来改进。

3 发展趋势与展望

微动疲劳损伤作用下导致的构件振动或者交变应力的,而且在实际工作的条件下是完全不能够避免的。微动疲劳造成的损伤在民用航空航天业、核工业、电力业、人体植入物等领域普遍存在。特别是航空机械构件,大量的构件都是因为这个原因导致的损坏的,另外由于研究微动疲劳还处于比较初级的阶段,还有很多问题需要解决也还有很大空间去更深入研究。

参考文献:

[1]何明鉴,机械构件的微动疲劳[M].北京:国防工业出版社,1994.

[2]朱如鹏、潘升材、高德平,微动疲劳中的应力状态参数和微动磨损参数的研究,程力学,1998.

[3]王春明,高周、低周及高低周复合载荷作用下微动损伤的试验研究,南京:南京航空学院,1989.