浅论扭动干态下扭转复合微动运转及其损伤机理

论文导读：(TTS)的分布显著地受微动分量的影响,横向裂纹易在微动白层和塑性变形区的界面形成,在磨损历程中白层的演变与疲劳裂纹的形成和接触表面的疲劳剥落机制有密切的联系。(2)对7075铝合金的剖面浅析表明,在不同的微动区域损伤呈现完全不同的特点。在部分滑移区,复合微动作用下极易导致疲劳裂纹的萌生并主要沿平行于接触表面方向扩
摘要：在球／平面接触条件下,微动磨损可分为四种基本运转方式,即：切向微动、径向微动、扭动微动和转动微动。目前绝大多数的探讨集中于切向微动方式,实际的微动现象十分复杂,往往是两种或两种以上基本方式耦合作用的结果。但至今有关复合微动的探讨报导较少,扭动和转动相复合的微动方式则更少。开展扭转复合微动的探讨,不仅对认识和深化复杂微动损伤机理有重要作用,而且也能为众多领域抗微动损伤提供论述指导。本探讨基于高精度低速往复回转电机系统、可调式电机安装倾斜装置和6-D力学传感器,发明并成功研制出新型扭转复合微动试验装置,真实模拟了球／平面接触条件下的扭转复合微动,试验结果有很好的可比性和再现性。本论文在不同倾斜角度、角位移幅值、载荷水平和循环次数下,系统地开展了不同典型材料(LZ50中碳钢、7075铝合金、聚丙烯酸甲酯(PMMA))和两种流体介质(VG46润滑油和纯水)下的扭转复合微动试验。在动力学浅析的基础上,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、光电子能谱(XPS)、原位纳米力学测试系统、双方式表面形貌仪等进行微观浅析,并结合摩擦振动和噪声的检测和有限元模拟,系统揭示了扭转复合微动的运转行为和损伤机理。完成的主要探讨内容和取得的主要结论如下(一)不同材料的扭转复合微动运转行为和损伤机理针对LZ50中碳钢、7075铝合金、聚丙烯酸甲酯(PMMA),系统探讨了其扭转复合微动的运转和损伤行为。在大量实验结果的基础上,总结了3种基本类型的扭转复合微动的动力学曲线(Ft-θ曲线),即直线型、椭圆型和平行四边形型；探讨建立了扭转复合微动的运转工况微动图(RCFM),结果表明倾斜角度、角位移幅值、循环次数、法向载荷及材料性质等强烈地影响着扭转复合微动的运转区域和损伤行为；结果表明Ft/Fn时变曲线和摩擦耗散能时变曲线在一定程度上均可以反映微动的损伤特性和微动分量的支配程度；扭转复合微动呈现非对称的损伤形貌,且扭转复合微动比单一方式的扭动或转动微动更易导致材料的失效；以表面损伤的角度看,剥层现象更加突出且偏爱于发生在中等倾斜角度下,相同角位移幅值下的磨痕最大深度和纵横比均高于单一的扭动或转动微动方式。此外,探讨建立了针对扭转复合微动的表面损伤历程物理模型。(二)扭转复合微动的局部疲劳与磨损的竞争机制(1)对LZ50钢剖面浅析表明：白层(TTS)的分布显著地受微动分量的影响,横向裂纹易在微动白层和塑性变形区的界面形成,在磨损历程中白层的演变与疲劳裂纹的形成和接触表面的疲劳剥落机制有密切的联系。(2)对7075铝合金的剖面浅析表明,在不同的微动区域损伤呈现完全不同的特点。在部分滑移区,复合微动作用下极易导致疲劳裂纹的萌生并主要沿平行于接触表面方向扩展,该区域微动损伤主要体现为局部疲劳。在混合区,裂纹扩展特性非常复杂,当微动损伤主要受扭动分量制约时,疲劳裂纹主要分布于环状磨损区下,裂纹分叉现象严重：当微动损伤主要受转动分量制约时,疲劳裂纹主要位于接触中心黏着区两侧,裂纹扩展方向相对单一并呈对称特点。在混合区,裂纹的扩展速率高于材料的磨损速率,微动损伤体现为局部疲劳显著强于局部磨损。在滑移区,磨痕形貌主要呈“U”型凹坑状,裂纹的扩展速率低于磨损率,无显著的向基体内扩展的裂纹形成。(3)探讨发现扭转复合微动状态下可以形成两类不同类型的局部隆起,并揭示了两类不同隆起的形成机理,发现疲劳裂纹的形成与接触区局部隆起密切相关,分别建立了两种微动分量制约下接触区局部隆起及疲劳裂纹形成历程的物理模型。(三)扭转摩擦磨损的摩擦振动与噪声浅析为了建立损伤机制和摩擦振动/噪声信号间的内在联系,进一步揭示扭转复合微动的损伤机制,本探讨利用摩擦振动/噪声检测对PMMA的扭转摩擦磨损历程进行了浅析,探讨结果表明：(1)在部分滑移状态下,由于接触界面的相对运动主要由弹性变形协调,微动作用并未激发出显著的可检测到的摩擦振动/噪声信号。在完全滑移状态下,发现材料的损伤行为与振动／噪声信号间有密切的联系。如：表面损伤程度与摩擦振动／噪声信号的事件数密切相关；局部隆起加剧了切向的摩擦振动；疲劳裂纹的形成在一定程度上能有效抑制切向振动；磨粒磨损对噪声和切向振动信号均有显著的增强效应等。通过小波浅析发现,在不同的微动阶段,振动和噪声信号随损伤机制的变化体现出完全不同的演论文导读：获取的信息及对微动结果的有效评价52-542.1.5模拟不同微动环境的试验装置54-552.1.6摩擦振动与噪声信号采集系统55-562.2扭转复合微动的实现56-572.2.1两种复合微动的典型形貌比较562.2.2F_t-θ曲线的复合历程浅析56-572.3试验材料57-592.3.1球试样的选用57-582.3.2平面试样的选择与制备58-592.4扭转复合微动试验参
变特点。(2)探讨发现,在微动和往复滑动状态下,摩擦振动和噪声信号也体现出截然不同的特点。主要变现在事件数随循环次数的演变；摩擦振动／噪声信号幅值的大小和分布位置的变化等。探讨发现摩擦振动／噪声信号可以作为判定某种工况下的摩擦磨损属微动或滑动范畴的重要参考依据。此外,发现累积事件数与磨损体积在微动和滑动状态下各自呈独立的线性联系,滑动条件下单位累积事件发生数的磨损量显著高于微动状态下。关键词：微动磨损论文扭动微动论文转动微动论文扭转复合微动论文运转行为论文损伤机理论文
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Abstract8-15
第1章 绪论15-49

1.1 引言15-16

1.2 微动摩擦学及其相关论述16-34

1.2.1 微动的定义及分类16-18

1.2.2 影响微动的因素18-19

1.2.3 微动/滑动的判据19-23

1.2.4 减缓微动损伤的主要措施23-24

1.2.5 微动摩擦学的进展历史及重要论述24-30

1.2.6 微动磨损探讨的最新进展30-34

1.3 扭转复合微动的探讨背景及进展近况34-45

1.3.1 扭转复合微动实例34-39

1.3.2 扭转复合微动相对运动的总滑移量和路径浅析39-42

1.3.3 扭转复合微动的探讨近况42-45

1.4 本论文的选题作用和探讨内容45-49

1.4.1 本论文选题的作用45-46

1.4.2 本论文的探讨内容46-49

第2章 试验材料和探讨策略49-64

2.1 扭转复合微动的试验装置49-56

2.

1.1 扭转式微动运动方式浅析49-50

2.

1.2 微动试验装置的研制50-51

2.

1.3 试验的基本流程51-52

2.

1.4 试验历程中获取的信息及对微动结果的有效评价52-54

2.

1.5 模拟不同微动环境的试验装置54-55

2.

1.6 摩擦振动与噪声信号采集系统55-56

2.2 扭转复合微动的实现56-57

2.1 两种复合微动的典型形貌比较56

2.2 F_t-θ曲线的复合历程浅析56-57

2.3 试验材料57-59

2.3.1 球试样的选用57-58

2.3.2 平面试样的选择与制备58-59

2.4 扭转复合微动试验参数59-61

2.4.1 LZ50中碳钢微动试验参数59-60

2.4.2 7075铝合金微动试验参数60

2.4.3 PMMA微动试验参数60-61

2.5 损伤形貌的微观浅析策略61-62

2.5.1 表面形貌浅析61

2.5.2 表面轮廓浅析61

2.5.3 微区化学成分浅析61

2.5.4 磨痕剖面浅析61-62

2.5.5 纳米压痕测试62

2.6 振动与噪声信号浅析策略62-63

2.6.1 特点参数浅析法62

2.6.2 小波浅析法62-63

2.7 本章小结63-64

第3章 LZ50钢扭转复合微动磨损行为及其损伤机理探讨64-103

3.1 扭转复合微动磨损的运转行为64-77

3.

1.1 F_t-θ曲线64-70

3.

1.2 运转工况微动图的建立70-73

3.

1.3 F_t/F_n时变曲线73-74

3.

1.4 摩擦耗散能浅析74-77

3.2 扭转复合微动磨损的损伤机理77-93
3.

2.1 典型的复合微动损伤形貌77-78

3.

2.2 不同微动区域的磨痕形貌浅析78-82

3.

2.3 微动分量对磨屑形态的影响82-83

3.

2.4 磨痕剖面浅析83-88

3.

2.5 复合微动损伤及其微动分量转变的主要影响因素88-92

3.

2.6 LZ50钢扭转复合微动表面损伤的物理模型92-93

3.3 扭转复合微动的有限元浅析93-100

3.1 扭转复合微动建模93-94

3.2 结果与浅析讨论94-100

3.4 本章小结100-103

第4章 7075铝合金的局部疲劳和磨损行为探讨103-147

4.1 不同微动运转区域的运转行为103-108

4.

1.1 动力学行为浅析103-105

4.

1.2 运转工况微动图105-106

4.

1.3 等效摩擦系数时变曲线106-108

4.2 微动磨损与局部接触疲劳行为的损伤机理探讨108-130
4.

2.1 表面损伤形貌浅析109-118

4.

2.2 剖面损伤形貌浅析118-126

4.

2.论文导读：

3 微动分量制约程度对疲劳裂纹行为的影响126-128
4.

2.4 材料响应微动图的建立128-129

4.

2.5 微动历程中的力学状态浅析129-130

4.3 接触区局部隆起的形成机理及对疲劳裂纹行为的影响130-143
4.

3.1 两种微动分量制约下的不同隆起形貌130-131

4.

3.2 两类隆起的影响因数131-134

4.

3.3 两类隆起的XPS浅析134-135

4.

3.4 两类隆起的表面纳米压痕特性135-138

4.

3.5 两类不同隆起的形成机理138-141

4.

3.6 隆起与疲劳裂纹萌生的联系141-143

4.4 两种不同接触区隆起及疲劳裂纹演变的物理模型143-144

4.5 本章小结144-147

第5章 PMMA扭转复合微动磨损的摩擦振动与噪声探讨147-175

5.1 微动的运转行为及区域特性147-150

5.

1.1 动力学特性147-149

5.

1.2 运转区域的判定149-150

5.2 试验中获取的摩擦振动和噪声信号150-151
5.

2.1 噪声信号的降噪处理150-151

5.

2.2 切向力与摩擦振动、噪声信号的对应联系151

5.3 不同微动运转区域下的磨损形貌和摩擦振动/噪声信号浅析151-171
5.

3.1 部分滑移区151-154

5.

3.2 混合区154-155

5.

3.3 滑移区155-171

5.4 基于声发射参数的磨损体积量化171-172

5.5 本章小结172-175

结论175-180
致谢180-181
参考文献181-194
攻读博士学位期间发表的学术论文及其他科研成果194-196