金属材料的微动疲劳损伤

微动按其损伤形式分为三类，微动磨损、微动腐蚀和微动疲劳，其中微动疲劳是最为常见也是危害最大的一种。交变载荷和微动能促使疲劳裂纹早期萌生和早期扩展，最后导致构件在大大低于材料疲劳极限，甚至低于材料弹性极限时失效，这一现象就被称为材料的微动疲劳. 微动疲劳损伤是各种压配合或收缩配合构件在交变应力或振动作用下的主要破坏形式，且在实际工作的条件下几乎不能避免。微动疲劳造成的损伤在民用机械、航空航天、核工业、电力工业、人体植入物等领域广泛存在。由于微动疲劳会加速构件接触表面及表层裂纹的萌生和扩展，从而大大降低了部件的疲劳寿命。 在航空航天、交通、核能等诸多工业部门中均存在微动疲劳损伤问题，大量的航空机械构件都是由于这个原因导致的失效，铁道车辆的车轴与轮对之间在压装区所产生的疲劳断裂也是典型的微动疲劳破坏实例。由于微动是构件在实际应用中不可避免的，而微动疲劳的损害又是不易察觉的，其后果却是极其严重的，因此微动疲劳的问题既具有普遍性和隐蔽性，同时又是致命性的。 微动疲劳破坏经过４个阶段，即：（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。疲劳主要取决于裂纹的萌生和早期扩展，影响微动疲劳的因素很多，例如温度、环境、载荷和位移幅度等，其中最重要的三个因素是接触压力、位移幅度和摩擦系数。 由于铝合金在航空航天领域的重要地位，近年来铝合金的微动疲劳问题引起了人们的关注，材料界对影响铝合金的微动疲劳的因素、微动疲劳的微观机理及防护措施进行了深入的研究。关于微动疲劳的防护措施，现在研究人员的工作主要集中在施加涂层、喷丸处理和时效处理。研究表明，表面处理包括氮化钛涂层对铝合金疲劳抗力有很大的影响；采用空心阴极技术的钛涂层可提高低应力条件下疲劳寿命，然而在更高的应力下，这种提高并不显著。在低应力条件下，钛涂层会提高疲劳寿命，而在高应力时，却会降低微动疲劳寿命。 双重处理，包括渗氮加钛涂层的直流磁控溅射处理，可使疲劳寿命在低应力下提高185％和在高应力下提高近60％。另外，喷丸处理对铝合金的微动疲劳也有很大影响，喷丸处理后的构件在最大循环应力下能显著提高疲劳寿命，但过高应力水平的喷丸处理却会使普通疲劳和微动疲劳寿命均降低。 同时应用喷丸硬化技术和钛涂层技术，在低应力下，疲劳寿命可提高130％，然而在高应力下，寿命明显降低。总的来说，对微动疲劳的研究还处于比较初级的阶段，还有很多问题尚未解决，需要进一步的研究。