第1章 微动磨损及其理论概述
　　本章作为整书的开篇，概述微动摩擦学、微动磨损的相关基本概念和分类，以轨道交通、航空、核电等工业领域为对象介绍典型的微动损伤现象，综述微动磨损理论及抵抗微动磨损的防护准则，并为后续章节介绍特殊条件下的微动磨损研究做铺垫。
　　1.1 微动磨损的相关概念
　　微动(fretting)是不同于滑动和滚动的另一种摩擦运动方式，是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动、流致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(位移幅度通常为微米量级)[1，2]，该接触表面通常名义上是“静止的”，即微动发生在“紧固”配合(也可是间隙配合)的机械部件中。而微动摩擦学是研究微动的运行机理、损伤机制、测试、监控、预防和安全评估的一个学科分支，它是与机械学、材料学、力学、物理学、化学，甚至生物医学、电工学等学科关系密切的交叉学科。
　　微动导致的材料损伤称为微动损伤，表现为[3，4]：微动导致的磨损(fretting induced wear)造成接触面间的磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、振动噪声增加或形成污染源；或者微动导致的疲劳(fretting induced fatigue)，加速裂纹的萌生与扩展，使疲劳寿命大大降低(仅常规疲劳寿命的1/5～1/3，甚至更低)。微动损伤具有高隐蔽性和危害性，其通常有四个特征[5]：①近似原位接触，损伤区无法直接观察；②损伤过程难以被及时探测；③磨损机制复杂，涉及黏着、磨粒、氧化和疲劳四种基本磨损机制；④磨屑形成过程和产物不同于滚动磨损和滑动磨损。
　　在微动摩擦学领域习惯上将微动行为分为微动磨损(fretting wear)、微动疲劳(fretting fatigue)和微动腐蚀(fretting corrosion)等三类(图1.1-1)[4]：①微动磨损(图1.1-1(a))是指接触表面的相对位移是由接触副外界振动引起的微动，接触副本身只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力；②微动疲劳(图1.1-1(b))是指接触表面的相对位移是由接触副承受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动；③微动腐蚀(图1.1-1(c))是指在电解质或其他腐蚀介质(如海水、酸雨、腐蚀性气氛等)中发生的微动。微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀并不是三种损伤机制，而只是微动行为的三种类型，损伤机制只有两种，即微动导致的磨损和微动导致的疲劳。
　　图1.1-1 微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀示意图
　　P代表法向压力，D代表位移幅值，(t)代表交变应力
　　实际工程中微动磨损现象往往比较复杂，根据最简单的球/平面接触模型，按接触副的相对运动关系，微动磨损可以分为四种基本运行模式[4，5](图1.1-2)，即切向微动(或称平移式微动)磨损、径向微动磨损、转动微动磨损和扭动微动磨损。实际工程中的微动可能是综合两种或两种以上的微动模式，即复合模式的微动磨损(简称复合微动磨损)。
　　图1.1-2 微动磨损的四种基本运行模式示意图( 代表交变位移幅值)
　　1.2 工业领域的典型微动损伤现象
　　微动损伤广泛存在，常见于通用机械、航空、航天、汽车、铁路、船舶、电力、电子、石化、矿业、核反应堆、武器系统和人工植入器械等现代工业的各领域。微动损伤起源于紧配合接触界面的微区，具有很强的隐蔽性，易被忽视或忽略，因此具有很大的潜在危险性。随着高科技领域的快速发展，以及各种苛刻工况条件的存在，关键部件微动损伤的危害日益凸显，现已成为一些关键零部件失效的主要原因之一，甚至是一些灾难性事故的元凶，因此微动损伤也称为现代工业的“癌症”。
　　1.2.1 九类典型微动损伤现象总结
　　针对不同领域摩擦副的配合方式或运行特点，可归纳出九类典型微动损伤现象，如表1.2-1所示。不同的配合形式，接触模式不同，微动的运行行为和损伤机理不同。可见，实际工程领域的微动损伤十分复杂，文献[6]把复杂的微动磨损过程解耦为切向、径向、扭动、转动四种基本微动模式，以及双向复合微动(切向+径向)和扭转复合微动(扭动+转动)两种复合模式，开展系统的基础研究，并构建了完整的微动磨损理论体系。为了进一步揭示复杂条件下的微动磨损机理，本书从不同的表面涂层、流体介质(水介质、腐蚀性液体介质)、温度、载流条件等角度进一步认识复杂微动损伤的本质。
　　表1.2-1 典型微动损伤现象汇总
　　为了让读者更深入地认识典型微动损伤现象，下面从轨道交通、航空和核电三个重要工程领域进行重点介绍。
　　1.2.2 轨道交通领域的微动损伤现象
　　轨道交通领域不论是轨道、机车车辆，还是接触网，都存在各种零部件间的大量配合界面，外部振动环境的存在，必然导致微动损伤。一些微动损伤造成了重大事故，例如，1998年德国ICE(Inter City Express)高速列车动车组因低噪声弹性车轮橡胶件的微动疲劳失效而发生脱轨，造成了101人死亡、84人重伤的重大灾难[7]；又如，2002年一列途经英国波特斯巴的列车在进站之前，微动磨损导致转辙器上固定第二、第三横杆的螺帽脱落，转辙器发生松动，导致列车脱轨翻覆[8]。下面通过一些典型现象或案例展现轨道交通领域的微动损伤。
　　1. 紧固螺栓
　　螺栓连接的可靠性对各类机械结构的安全运行至关重要。在振动或者变温环境中，螺栓轴向力不可避免地降低。当螺栓轴向力下降到一定程度时，螺栓可能发生疲劳断裂或松脱，引起重大安全事故。例如，2011年韩国KTX(Korea Train Express)高速列车由于螺栓松动，控制箱发生脱落，导致列车脱轨[9]。
　　螺栓的螺纹连接在变载、振动、冲击、热循环等各种外加交变载荷作用下，微动作用可造成接触表面磨损和疲劳裂纹形成，可导致螺纹件的松动(预紧力下降)、咬死，甚至导致螺栓断裂，使得连接件寿命下降[10，11]。螺纹连接可能产生微动损伤的四种位置，分别位于：①螺栓头、螺钉头或垫圈与板之间；②两块连接板之间；③螺纹配合面之间；④螺栓孔与螺栓杆之间。本质上，螺纹的螺旋副(是指螺旋面构成的特殊摩擦副)的接触界面之间在复杂交变载荷下产生微滑，从而发生微动损伤，导致螺旋副磨损或摩擦系数发生改变，使自锁功能丧失。
　　轨道交通领域在轨道和桥梁结构中大量使用紧固螺栓进行连接，图1.2-1示出了轨道结构紧固螺栓及其失效的特征；在车辆走行部的转向架上悬挂很多关键部件，也是通过螺栓连接来实现悬挂的；牵引供电的接触网系统中采用了大量的螺栓连接，其服役性能对结构整体的安全性和可靠性具有较大的影响。对接触网定位线夹螺栓的失效分析发现：螺栓的第一圈工作螺纹损伤最为严重，螺纹牙顶有块状剥落现象，而牙根附近以点蚀为主；在螺纹面上发现有定位线夹材料黏附在上面，这可能是由于铜合金的定位线夹材质较软，在螺栓工作过程中发生了材料转移；能量色散X射线分析(energy-dispersion X-ray analysis，EDX)发现损伤区域有氧峰存在，且含氧量最高达60.66%，说明螺纹在损伤过程中伴随着氧化磨损，如图1.2-2所示。
　　螺栓因微动损伤导致的疲劳断裂或松脱，一直是轨道交通运营安全的重要隐患，得到了高度关注。
　　作者所在课题组对螺栓连接结构，从理论分析、有限元模拟、静态试验、动态试验和防松措施几个方面进行了振动载荷作用下的螺栓松动机理研究[12-15]，取得的主要结论包括：①螺纹配合面的微动磨损包含磨粒磨损、疲劳磨损、黏着磨损和氧化磨损四种磨损机制，是一种十分复杂的磨损现象；②预紧力矩、交变载荷幅值、循环周次等试验参数对螺栓连接结构的松动行为具有强烈的影响；③重复的螺栓拧入/拧出试验表明，相同预紧力矩作用下，多次拧入的预紧力有明显下降，如果不需要增大螺栓的紧固预紧力矩，应避免不必要的拧入/拧出操作；④螺栓精确建模研究发现降低螺栓头部/被连接件和螺纹接触界面的摩擦系数并适当增大预紧力，可降低塑性应变的累积和螺纹表面单位面积的摩擦耗散能，从而提高螺栓防松性能。因此，采用润滑或表面处理等方式，降低螺纹接触面摩擦系数是十分有效的防松措施。
　　图1.2-1 轨道结构紧固螺栓及其失效特征

目录
第1章 微动磨损及其理论概述 1
1.1 微动磨损的相关概念 1
1.2 工业领域的典型微动损伤现象 2
1.2.1 九类典型微动损伤现象总结 3
1.2.2 轨道交通领域的微动损伤现象 5
1.2.3 航空领域的微动损伤现象 13
1.2.4 核电领域的微动损伤现象 17
1.3 微动磨损理论总结 22
1.3.1 影响因素 23
1.3.2 动力学曲线 23
1.3.3 微动运行区域 23
1.3.4 二类微动图的建立 24
1.3.5 摩擦系数 25
1.3.6 磨损机制及其竞争关系 25
1.3.7 损伤准则 27
1.3.8 复合微动磨损 28
1.3.9 摩擦氧化 28
1.3.10 不同模式微动磨损的主要特征 30
1.4 微动磨损的防护准则 31
1.4.1 消除滑移区和混合区 31
1.4.2 增加接触表面强度 32
1.4.3 降低摩擦系数 33
1.4.4 材料的选用和匹配 33
参考文献 34
第2章 微动磨损研究方法 37
2.1 微动磨损的研究思路 37
2.1.1 微动磨损研究现状分析 37
2.1.2 复杂微动磨损的解耦 38
2.1.3 微动磨损界面损伤行为的探测 40
2.2 微动磨损的试验设备 49
2.2.1 微动磨损研究对位移控制的需求 49
2.2.2 全模式微动磨损试验系统的构建 50
2.2.3 全模式微动磨损试验系统功能和参数简介 53
2.3 微动磨损的试验参数选择 57
2.3.1 接触方式的选择 57
2.3.2 摩擦副的选择 57
2.3.3 法向载荷的选择 57
2.3.4 位移幅值/角位移幅值的选择 58
2.3.5 频率的选择 58
2.3.6 循环周次的选择 58
2.3.7 相对湿度的控制 59
2.3.8 试验重复数 59
2.3.9 微动磨损的试验流程 60
参考文献 60
第3章 涂层的微动磨损 63
3.1 黏结MoS2涂层的切向微动磨损 64
3.1.1 微动运行特性 65
3.1.2 微动磨损过程 67
3.1.3 涂层制备工艺的影响 71
3.1.4 环境条件的影响 74
3.2 四种涂层的转动微动磨损 77
3.2.1 摩擦力-角位移幅值曲线 78
3.2.2 运行工况微动图 82
3.2.3 摩擦系数时变曲线 83
3.2.4 摩擦耗散能 85
3.2.5 转动微动磨损机制 86
3.2.6 损伤的物理模型 99
参考文献 101
第4章 腐蚀环境中的微动磨损 104
4.1 Ti6Al4V合金在纯水介质中的扭动微动磨损 105
4.1.1 Tf -θ-N三维微动特性曲线 105
4.1.2 运行区域特性 109
4.1.3 摩擦扭矩时变曲线 111
4.1.4 损伤形貌与表面轮廓 114
4.1.5 损伤机理分析 117
4.2 Ti6Al4V合金在模拟体液环境中的扭动微动磨损 119
4.2.1 Tf -θ-N三维微动特性曲线 119
4.2.2 磨痕OM形貌与运行区域特性 125
4.2.3 摩擦扭矩时变曲线 129
4.2.4 损伤形貌与轮廓分析 132
4.2.5 损伤机理分析 137
参考文献 142
第5章 电接触微动磨损 144
5.1 电接触及其相关研究 144
5.1.1 电接触基本概念 144
5.1.2 计算模型 149
5.1.3 电接触中微动磨损的研究 150
5.2 电接触微动磨损性能的研究 151
5.2.1 电接触微动磨损的试验装置 151
5.2.2 试验参数的影响 153
5.2.3 电流强度的影响 162
5.2.4 表面粗糙度的影响 169
5.2.5 微动磨损分析 171
5.3 不同环境下的电接触微动磨损研究 179
5.3.1 温度的影响 179
5.3.2 气氛环境的影响 189
5.3.3 湿度环境的影响 196
5.3.4 综合讨论 205
参考文献 206
第6章 升高温度下的微动磨损 212
6.1 传热管室温下的切向微动磨损 213
6.1.1 运行工况微动图 214
6.1.2 摩擦系数时变曲线 218
6.1.3 微动磨损机理 219
6.2 传热管升高温度下的切向微动磨损 235
6.2.1 升高温度下的微动磨损运行特性 236
6.2.2 升高温度下的摩擦系数时变曲线 237
6.2.3 升高温度下的微动磨损机理 238
参考文献 250
第7章 水介质中的微动磨损行为 252
7.1 690合金在水介质中低频大位移的微动磨损 252
7.1.1 微动磨损的运行特性 252
7.1.2 磨痕形貌分析 255
7.1.3 微动磨损机理分析 265
7.2 690合金在水介质中高频小位移的微动磨损 270
7.2.1 微动磨损的运行特性 270
7.2.2 磨痕形貌分析 275
7.2.3 微动磨损机理分析 277
参考文献 281
第8章 微幅冲击磨损 282
8.1 控制载荷的室温微幅冲击磨损 282
8.1.1 磨损机理分析 283
8.1.2 XPS分析 291
8.2 微幅冲击磨损的影响因素 292
8.2.1 冲击速度的影响 293
8.2.2 管长的影响 296
8.2.3 支撑角度的影响 298
8.2.4 小结 301
8.3 控制载荷的高温微幅冲击磨损 301
8.3.1 磨痕形貌分析 301
8.3.2 摩擦氧化分析 305
8.3.3 磨耗分析 308
参考文献 310