拉扭多轴应力复合微动疲劳损伤机理基础研究

Multi-axial stress of tension-torsion dual fretting fatigue(TDFF) is combined from tension-compression and torsional fretting fatigue modes. Combining cyclic tension stress with alternating torque acting on the component, the component surface associated with contact stress may occur micro-slip to produce damage, and to result in initiation and propagation of the micro-cracks, and then the material may be ruptured ahead of schedule.The study is only in the starting stage until now, and there is little understand on it. In this work, a new TDFF test rig will be developed ,whose the fretting displacement and friction forces can be detected and controlled in real-time. And the TDFF tests with varied parameters will be carried out for different material counter-pairs under varied equivalent stresses and strains . According to the S~N curve and the characteristic of different fretting regimes, the Running Condition Fretting Maps of TDFF will be established. Based on the micro-analyses, the formation and evolution of white layer, initiation and propagation of micro-cracks, competition between local fatigue and wear, and evolution of dislocation configuration will be investigated systematically combining with the finite element simulation to reavel the damage mechanisms of TDFF. This research not only has the scientific value of exploration of unknown areas which will improve the comprehending of fretting theory, but also has important engineering application background. It will also has reference value of engineering application for the fretting damage protection of the high speed train axles, motor shafts, aero-engines and other key components.

拉扭多轴应力复合微动疲劳（简称拉扭微动疲劳）是指在循环拉压应力和交变扭矩多轴应力耦合作用下，承受接触载荷的构件在接触表面发生微幅相对运动造成微动损伤，引起裂纹萌生扩展，导致材料提前失效，是拉压和扭转微动疲劳的复合形式，至今研究尚处于起步阶段，缺乏系统认识。本研究通过新型拉扭复合微动试验装置的建立，实现微动位移和摩擦力的实时监控；对不同材料配副，在不同等效应力和应变下，进行不同试验参数的拉扭微动疲劳研究，根据S~N曲线和不同微动区域特性，建立运行工况微动图；结合微观分析，系统研究该微动模式下白层的形成及演变规律、裂纹萌生及扩展行为、位错状态演变及整体疲劳与局部疲劳之间的竞争关系,并结合有限元数值模拟，揭示该复合微动疲劳的损伤机理。本研究不仅具有探索未知领域的科学价值，深化微动摩擦学基础理论，而且有重要的工程应用背景，对高速列车车轴、电机转轴、航空发动机等关键部件的微动损伤防护有重要参考价值.

本项目基于列车车轴轮座部位的服役特性，针对不同材料配副，在不同法向载荷和扭转疲劳载荷条件下展开系统的扭转微动疲劳试验研究，获取了不同材料的S~N曲线，与常规疲劳不同的是均显示为“ɛ”型曲线，并且其P~N曲线显示为“C”曲线特征；随着疲劳载荷的增加，使微动接触区依次运行于部分滑移区，混合区和完全滑移区。在部分滑移区，微动损伤较为轻微，试样表面出现轻微磨损，而未发现微观裂纹，寿命较高；随着循环载荷的增加，微动运行区将会逐渐朝混合区转移，裂纹成为损伤的主要特征，这将大大缩短扭转微动疲劳寿命，这就对应着“ɛ”型曲线寿命最低点靠近；随着疲劳载荷的进一步增加，微动运行区朝完全滑移区转变，磨损变得相对较严重，而严重的磨损将表面微动裂纹在形核阶段就被磨损去除，反而使微动疲劳寿命呈现相对较高的状态。在微动运行区微观位错组态分析结果显示：在低应力幅值疲劳状态下，微观位错组态主要由平面滑移型位错组态向孪晶结构演变，继而发展成交叉孪晶结构，最终多孪生系统启动演变成三叉孪晶结构。应力在三叉孪晶交叉位置集中并产生裂纹形核，微裂纹萌生；在较高应力幅值下，微观位错组态则由典型的波状滑移型位错结构同时组成，即产生胞状亚结构、位错墙结构、滑移驻留带等，再结晶现象严重。结合以上研究结果，总结了扭转微动疲劳损伤演变、微观裂纹萌生及扩展行为和位错状态演变规律，建立了损伤模型,揭示扭转微动疲劳的损伤机理。本研究不仅具有探索未知领域的科学价值，深化微动摩擦学基础理论，而且有重要的工程应用背景，对高速列车车轴、电机转轴、航空发动机等关键部件安全服役有效维护和相关损伤的防护有重要工程参考价值。本项目按计划完成了各项研究内容，取得了预期研究成果，达到了预期研究目标。本研究已发表学术论文5篇，其中，SCI、EI收录论文分别为3篇次和2篇次；申请实用新型和发明专利8项，已批准4项。项目负责人担任第7届表面工程国际会议组委会委员，积极参加国内外学术交流。本项目研究培养研究生6名，其中，毕业4名。