法向载荷对7075铝合金扭转微动疲劳性能的影响研究

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微动疲劳广泛存在于工程实际之中,一些过盈配合部件在复杂的服役环境中受到微动作用,导致其服役寿命大大减少,严重影响构件服役周期,有时甚至对公共安全造成极大的威胁。微动摩擦学作为一门涉及到机械、材料、力学、化学等多个学科的新兴交叉基础学科,在一个多世纪以来,国内外的学者们前仆后继的对其机理进行研究,虽然已经取得了令人瞩目的成绩,但由于微动损伤的作用机理及过程极其复杂,因此至今仍有一些概念和机理上的分歧,还需要继续对其开展研究。本文以7075铝合金为研究对象,在配有自主设计气压加载微动疲劳装置的W+B多轴疲劳试验机(100kN-500N·m)上,开展了法向载荷对其影响的试验研究。试验中进行控制变量,固定扭矩72.5N·m不变,对法向载荷大小进行控制。结合扫描电子显微镜(SEM)、电子探针显微分析仪(EPMA)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)、能谱分析仪(EDS)、白光干涉仪(WLI)等设备,研究了法向载荷对于其扭转微动疲劳行为的影响及作用机理,所得结论如下:(1)随着法向载荷的增加,7075铝合金的微动疲劳寿命先降低后增加。从整体上来看,P-N曲线大致呈现出“C”的形状,且法向载荷的增大的过程可被分为三个不同的微动运行区域,随着法向载荷的增大,微动运行区域从滑移区(SR)转向混合区(MFR),最终进入部分滑移区(PSR)。(2)7075铝合金的扭转微动疲劳的失效方式为切断,断口大致可以被分为三个区域:疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区。法向载荷对于断口形貌的疲劳源区影响较大,随着法向载荷的增加,疲劳源区的面积随之明显增大,相比之下,瞬断区与裂纹扩展区的大小则变化不大,即法向载荷的改变对这两个区域的影响不大。(3)有限元计算结果表明,接触局域Mises应力分布规律呈椭圆状;随着法向载荷的增加,微动损伤区边缘出现了局部高应力集中接触区域,且边缘应力高于中心,上端应力高于下端;应力集中位置与试验中观测到的裂纹位置相符,证明局部高应力集中导致了裂纹萌生。(4)微动损伤区的损伤程度随法向载荷的增大而增大,且在不同的法向载荷下特征相似,即损伤区域基本左右对称、加载端较固定端更加严重、有犁沟现象的存在。其中犁沟现象的变化决定了摩擦系数的变化趋势,趋于稳定时,摩擦系数随法向载荷的增大而减小。(5)微动损伤区的氧化程度与法向载荷正相关。损伤区的氧化产物中Al主要存在形式为Al2O3,同时,还有少量的Al(OH)3和单质Al存在。
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