微动摩擦学研究
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代表性研究成果名称
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基础类或
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完成单位
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本室固定
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保密
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微动摩擦学研究
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基础类
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1
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4
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否
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微动是一种不同于滑动和滚动的特殊摩擦运动，普遍存在于振动环境（机械振动、热交换、流体运动、电磁震动、人体运动等）下的间隙或过盈配合件之中，可以造成接触表面独特的磨损，进而引起咬合、松动、信号失真、噪声增加等；或造成裂纹萌生、扩展，使构件使用寿命急剧降低。
本项目的研究特点：基于系统的实验研究，突破传统模式研究的束缚，揭示了微动损伤构性关系，澄清了长期困扰该领域研究中的一些争议，建立了迄今关于微动损伤最为完备的理论，微动研究从过去单一参数的影响研究方法提升到由系统决定的微动图的研究方法，使得微动摩擦学的研究进入一个新的阶段。
（1）微动实验与测试设备研发
为了确保微米量级时的实验数据完整、可靠，本项目先后自行研制切向、径向和复合等三种微动模式试验夹具系统，装置系统满足了微动实验在定位、刚度等方面的高精度要求；自行设计开发的二套系统控制程序（控制载荷和位移模式），不仅可以完整地记录不同微动方式下任一循环次数内的所有动态数据的变化过程（摩擦力、摩擦系数、刚度、摩擦耗散能等），而且在同一实验中具有自动变频、变幅等功能。
（2）发现微动运行工况微动图和材料响应微动图
本项目在对铝锂合金（2091）的大量微动磨损实验研究时，在仅改变微动幅度（其它参数不变）时，在传统的部分滑移区和常见的滑移区之间，发现微动混合区。在混合区，微动初期呈相对滑移，然后，摩擦力逐渐增加，直至摩擦力随位移变化呈直线状，界面处于粘着状态；又经过一定循环次数后，相对运动状态发生突变，微动界面又处于滑移状态，摩擦力随位移变化曲线呈四边形状；这种现象在一个微动试验中可以反复出现，但在相对稳定状态，摩擦力 - 位移变化曲线往往呈椭圆状。同样，当改变压力时，也可以依次观测到上述三个微动区域。相对于部分滑移区和滑移区，混合区具有较高的的摩擦系数（更确切地说为切向力与法向压力之比）。三个微动区域与测试系统刚度（夹紧机构、试样大小等）密切相关。混合区的形成、区域大小与材料形变特性密切相关。
与运行工况微动图不一样，一旦初始条件确定，部分滑移区、混合区和滑移区的分布在一定循环次数后就可以确定，具有唯一性，而材料响应微动图与循环次数密切相关，尤其是裂纹区，明显具有一般疲劳破坏的特点。
参照运行工况和材料响应微动图，不难发现：轻微或无损伤区主要位于部分滑移区或微动初期，磨损区主要位于滑移区，而裂纹首先在混合区产生（如对铝合金，在循环次数为1000次左右就可观测到裂纹）；随循环次数的增加，裂纹区可向部分滑移区和滑移区扩展。
研究还揭示：
1）在滑移区，表面的颗粒剥离较为严重，快速的表面磨损不仅消除了接触表面可能形成的微裂纹或降低了裂纹核形成的可能性，而且，磨损使得实际接触面积增大，加上大量被氧化的第三体（磨屑）在界面中的调节作用，使得接触表面上的应力分布更加平缓，交变应力水平降低，局部接触疲劳效应明显降低。
2）在混合区，微动过程主要通过表面的弹性和塑性变形来调节，磨损较小，实际接触面积随微动循环次数的增加时的变化较小，因此，同一接触区域受到较大的切向力（过应力）的反复作用（即局部疲劳），表层的塑性变形强烈，裂纹得以快速萌生、扩展。
3）在部分滑移区，微动过程主要依靠接触表面的弹性变形来实现，磨损轻微，接触面积几乎没有增加，加上界面承受的切向力较小，局部接触疲劳轻微，但不排除裂纹在高周微动循环次数下萌生的可能性。
（3）抗微动磨损的防护研究
防止微动破坏最简单的办法就是消除振动，但是在工程实践中，振动是无法避免的，因此微动破坏也是无法避免的，只能采取合理措施去减缓这种破坏。
根据二类微动图理论，提出了三种减缓微动破坏（磨损和裂纹）的方法并指出了这些方法的局限性：
1）改变微动区域：提高压力（或预紧力）、降低切向刚度（如插入弹性垫片）、改变结构设计等手段，促使微动处于部分滑移区，但同时应当考虑配合面的实际情况如所能承受的强度极限等，不能顾此失彼；
2）采用润滑技术：发现固体润滑对抑制部分滑移区的微动损伤非常有效，而脂和油润滑适用于滑移区。润滑脂、油在较低微动幅度时，由于油（对于润滑脂是指摩擦过程中分离出来的油）向摩擦表面的微裂纹渗透，可出现挖坑效应，磨损反而增加；脂与油的润滑效果随微动幅度的增加而增加；增加压力或频率不利于润滑效果的改善；固体润滑膜（聚苯一烯薄膜、粘结MoS2固体润滑涂层、粘结PTFE涂层等）在较低微动幅度时，具有很强的抗微动磨损能力，但随微动幅度的增加而降低。
3）采用表面强化或复合表面处理技术：研究了离子镀TiN、喷丸+离子硫化、TiN+MoS2复合涂层等多种改性层的微动磨损特性，建立了多种单一和复合涂层下的微动图，提出了相应微动损伤机制，从中发现，与表面处理前相比，微动磨损性能得到不同程度的改善。
（4）径向微动磨损研究
获得了径向微动下的两种基本的载荷 - 位移变化曲线，即由局部微滑、塑变引起的张开型和弹性变形调节为主的闭合型曲线。径向微动的摩擦特性与摩擦副材料及匹配、涂层特性、表面粗糙度、载荷大小、加载速率等密切相关。
研究发现由于变形协调的原因，局部摩擦磨损主要发生在不同材料组成的摩擦副，同种材料组成的摩擦副由于变形协调作用几乎观测不到微滑的痕迹，这与接触力学分析结果相吻合；对于异种金属材料组成的摩擦副，接触表面呈现接触疲劳特征，颗粒因粘着而剥离，磨损轻微；对于陶瓷材料，在接触表面边缘可明显观测到由微滑引起的环状磨损区。
对于金属材料/硬或软涂层材料组成的摩擦副，发现在TiN涂层表面形成了微裂纹，磨屑呈片状剥离，主要发生在接触边缘；MoS2涂层损伤轻微，具有良好的抗径向微动磨损能力；通过系统研究，提出了径向微动是一种评价硬质薄膜接触疲劳寿命的新方法。
（5）复合微动磨损研究
获得了复合微动下的三种基本的载荷 - 位移变化曲线，即由相对滑移为主引起的准梯形、局部微滑和塑变引起的椭圆型以及弹性变形调节为主的闭合型曲线。复合微动的摩擦特性与摩擦副材料、倾角、载荷大小、加载速率、循环次数等密切相关。
研究发现复合微动的初期表现出明显的滑移特征，界面发生相对运动，滑移幅度随倾角的减小和载荷的增大而增大，微动磨痕呈非对称的彗星状形貌，磨损机制如同切向微动磨损；随着循环次数的增加，接触中心呈粘着、边缘呈微滑状态；在相对稳定状态，运动主要通过弹性变形调节来实现。
与切向微动磨损相比，复合微动损伤在表面磨痕形貌、剖面磨损深度、裂纹的起源扩展等方面表现出强烈的非对称特性。裂纹主要在载荷处于最大值时所对应的接触边缘起源和扩展，而在另一边，形成裂纹的可能性较小。研究发现，由于塑变积累和磨损，界面的局部接触几何状态随循环次数的增加而不断发生改变，复合微动从初期以切向微动为主逐渐向以径向微动为主的模式演变，并提出了相应的位移协调机制。
成果的科学价值
从运动方式上讲，滑动、滚动、微动是构成接触表面相对运动的三种主要方式，当今摩擦学的研究主要均围绕这些运动方式展开。由于微动的隐蔽性和复杂性，长期以来，人们对微动的研究主要局限于表面现象的认识，处于摸索阶段。
本成果的理论价值在于从本质上揭示了微动磨损的运行机制和损伤规律，解决了在微动与运动幅度关系、微动疲劳寿命凹区成因等方面的争议和困扰，突破了长期以来制约微动磨损发展的经验研究模式；本项目建立的运行工况微动图和材料响应微动图，不仅为进一步的接触理论分析和建模计算奠定了基础，而且已成为正确选择减缓微动损伤措施的重要理论依据；提出的径向和复合微动磨损研究成果，不仅拓宽了微动摩擦学研究领域，而且为薄膜或改性层的寿命评估提出一种全新的方法和手段。
本成果从运行机制、损伤规律到防护应用研究，从切向、径向到复合微动磨损研究，系统性强，建立了一套自成体系的微动摩擦学理论，极大地推动了微动摩擦学学科的发展。相关成果已成为国际微动摩擦学研究的重要组成部分，对丰富和发展摩擦学理论作出了重要贡献。
本项目的工程应用价值主要在于为工业微动实例损伤分析和防护提供重要的理论指导：例如，在抗微动损伤准则指导下，解决了提速机车连杆结合面的微动损伤这个长期得不到有效解决的难题；本项目建立的二类微动图也成为一些研究单位对不同表面改性技术进行评估、比较和筛选的重要理论依据。
本项成果自2003年以来共发表学术论文67篇，其中SCI检索论文24篇。成果获得软件著作权2项，成果“微动摩擦学研究”2006年国家自然科学二等奖，“径向与复合微动的运行和损伤机理研究”2003年获法国SNECMA科技奖二等
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