微动磨损 杜永平
二、微动磨损理论
一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列
实验现象作出合理的解释：
真空或惰性气氛中微动损伤较小； 微动产生的磨屑主要由氧化物组成； 循环数一定时，低频微动比高频损伤大； 材料流失量随负荷和振幅而增加； 低于室温比高于室温的磨损严重； 空气环境比湿空气中损伤大。
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1990年，Godet提出微动三体理论；
1990年，第三届ASTM Symposium On
Standarization Of Fretting Fatigue Tests
Methods and Equipment在美国的Philadelphia 召开，宣读论文20篇； 1992年，Waterhouse发表了Fretting Wear综述 论文；
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2. 微动磨损的发展历程 1911年，Eden、Rose和Cunningham首先观察 到微动与疲劳的联系； 1924年，Gillet和Mack发表了机器紧固件因微 动导致疲劳寿命明显降低的报告； 1927年，Tomlinson认为腐蚀是次要因素并提出 了一种微动机理； 1941年，Warlow-Davies注意到微动可以加速 疲劳破坏； 1949年，Mindlin提出在一定条件下，微动区存 在滑移区和非滑移区，计算分析了接触表面的 应力分布；
了一种早期的微动疲劳模型；
1970年，Hurrick在Wear发表The Mechanism Of Fretting的论文，认为微动分为三个过程；
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1972年，Waterhouse发表了首部编著Fretting
Corrosion，Hoeppner提出了微动疲劳极限的概
念； 1974年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft在德国Munich召开，发表论文16篇； 1977年，Waterhouse将大位移滑动磨损的剥层
微动磨损中： 金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复
式多次反复运动，使某些冷焊点发生断裂，同
时出现材料转移，因此，磨损率低。
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微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾
向迅速增大。发生断裂并形成松散磨粒后，粘
着倾向会逐渐减小，最后过渡到平稳阶段。粘
着阶段持续的时间与材料及环境有关。
2001年，在日本召开3rd International
Symposium On Fretting Fatigue，并形成每3
年一次的微动疲劳系列国际会议。
3. 一些统计数据
（1）国家和地区的分布
按照发表论文的数量，主要有英国、法国、 美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞 士和比利时。这些国家发表的论文数占论文总 数的90％以上。
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接触首先发生在微凸体
上，少量磨屑落入谷内； 磨屑填满谷，使磨损变 成磨粒磨损。许多微凸体 合并成一个小平台； 磨屑进一步增加，并开 始从接触区溢出进入邻近 的洼谷区；
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接触区压力再分布，中
心压力增高，边缘压力降
低，使中心的磨粒磨损加
重，凹坑迅速加深。 模型很快为科学家们所接受： 形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象 确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征 不足：至今尚未达到令人满意的定量描述。
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④ 环境影响
微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的
蒸气介质、生物性腐蚀介质、
超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的 研究也得到积极开展。
⑤ 防护措施
研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗 微动破坏研究并重的阶段，各种减缓技术如表面 处理、润滑和结构设计改进等有很大的进展。
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⑥ 工业应用
航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大
型轴、人工植入器官、电接触等工业领域的微动
损伤已日益成为研究热点。
4. 微动磨损的特征
具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷 热循环等），流体运动所诱发的振动； 磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形 以及微裂纹； 磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化 物。
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（2）氧化作用 金属表面的氧化膜对防 止冷焊十分有效，有利于 防止粘着。
能在金属表面生成附着
牢固，且在微动下能出现 一层釉质氧化物层的材料， 其磨损量和摩擦系数将随 微动而明显下降。
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氧化对微动磨损的影响： 贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损， 氧不参与作用，以粘着及塑性变形机制为主； 薄而附着不牢的氧化膜，在不到一次微动循环 便被破坏，这时氧化与机械两种机制均对微动 磨损有贡献； 氧化较严重而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机 械两种机制的协同作用加速表面破坏； 氧化层致密能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝 合金在高温下的微动磨损，氧化作用缓解了机 械摩擦导致的损伤。
着受抑制，摩擦系数
降低； ④磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表
面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平衡， 微动磨损进入稳定阶段。
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3. 微动磨损的发展过程
（1）粘着机制在微动磨损中的作用
普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形 成冷焊点，受切向力作用发生断裂，同时出现材 料转移。这是单方向上一次作用下实现的。
1992年，Zhou和Vincent提出二类微动图理论，
成为揭示微动运行和损伤规律的重要理论；
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1993年，在英国的Sheffield召开International
Symposium On Fretting-Fatigue，宣读论文37
篇；
1996年，在英国的Oxford召开Euromech 346 On Fretting Fatigue会议，宣读论文18篇；
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3. 微动的三体理论 微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两个 连续和同时发生的过程： ① 磨屑的形成过程 接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加 工硬化； 加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着 白层的破碎，颗粒剥落； 颗粒被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于 颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振幅、频 率、载荷等）。
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② 理论分析
理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，而 借助计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元 法、能量分析（包括热力学）等研究手段来模
拟微动的运行和破坏过程。
③ 新材料
过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种
钢和铝合金，现在已有不少研究者开始致力于各
种新材料的微动损伤规律的研究。
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（2）研究机构及人员 约有300名研究人员作为第一作者或合作者在 刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论文，一
半左右仅出现一次署名。发表微动摩擦学研究
论文最多的有七个研究单位，主要集中在法国、
英国、美国。
（3）研究领域分布
微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近
一半，而有关微动腐蚀的论文相对较少。
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1950年，第一届ASTM Symposium On Fretting
Corrosion在美国的Philadelphia召开，并宣读五
篇论文，会上由I—Ming Feng和Rightmire提出
了一种微动理论； 1951年，Uhlig在J．Appl．Mech发表了题为 Mechanism Of Fretting Corrosion的论文； 1969年，Nishioka、Nishimura和Hirakawa提出
W (5.05 10 P
6 1 2
N 1.5 10 P ) 4.16 10 6 bPN f
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Uhlig的模型不足：
忽略了氧化膜起到防止材料粘着的有利作用
忽略了微动过程中磨屑参与磨损的作用 因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少 对微动磨损随循环次数的变化规律不能给予完满 的说明。
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② 磨屑的演化过程
起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为
微米量级（约1μm）；
在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰
褐色，粒度在亚微米量级（约0.1μm）；
磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为 纳米颗粒（约10nm） ，射线衍射分析表明磨 屑含α-Fe、α-Fe2O3（呈红色）和低百分比的 Fe3O4。
1997年，在中国成都召开首届International
Symposium On Fretting，宣读论文32篇；
1998年，在美国Salt Lake City召开2nd
International Symposium On Fretting Fatigue， 发表学术论文近40篇；
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利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系 数随循环周次的变化过程： ①接触表面膜去除，摩擦系数较低； ②第一、二体 之间相互作 用增加，发 生粘着，摩 擦系数上升， 并伴随材料 组织结构变 化；
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③磨屑剥落，第三体床 形成，二体接触逐渐 变成三体接触，因第
三体的保护作用，粘
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总的微动磨损量：
W Wc Wm ( K 0 P
1 2
N K 1 P ) K 2bPN f
第一项化学因素引起 第二项机械因素引起 微动磨损量是：
微动频率的双曲线函数
负荷的抛物线函数 循环次数和振幅呈线性关系
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Uhlig根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：
（delamination）理论引入微动磨损的研究；
1981年，Waterhouse编辑出版了由10篇论文组 成的Fretting Fatigue论文集；