根据接触副间相对运动的不同,球／平面接触条件下的微动可分为切向、径向、转动和扭动4种基本模式,目前的研究主要集中在切向微动模式。扭动微动是在交变载荷下接触副发生的往复微幅相对扭动,在很多回转部件中较常见,如球窝关节、球阀、车辆心盘等。虽然扭动微动现象十分普遍,但至今相关研究较少。开展扭动微动的研究,不仅深化和丰富微动摩擦学的基本理论,具有探索未知的科学意义,而且对抗工业微动损伤有重要的指导意义。本研究基于低速高精度转动台和六维传感器(x、y、z方向的力和扭矩),成功研制了新型扭动微动试验装置,真实模拟了球／平面接触条件下的扭动微动。该装置具有同轴度高、扭转角位移幅值范围广的特点,试验结果有很好的可比性和重现性。配置可控气氛系统,可实现不同气氛和湿度的试验模拟。本文在不同载荷水平、角位移幅值和循环周次下,对几种典型金属材料、高聚物和牛天然活性软骨进行了扭动微动试验。通过动力学分析,以及利用表面轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、光电子能谱(XPS)和HE染色法等进行微观分析,系统地研究了扭动微动的运行机理与损伤机制。利用有限元方法,建立球／面接触模型,对扭动微动进行数值模拟,并将计算结果和实验结果进行比较。完成的主要工作和取得的主要结论如下：(一)金属材料的扭动微动运行和损伤机理针对Fe-C合金(工业纯铁、20#钢、LZ50钢)和7075铝合金,系统研究了扭动微动运行和损伤行为。总结归纳了扭动微动的三种动力学特性曲线(摩擦扭矩～角位移幅值曲线,T～θ曲线),即直线型、椭圆型和平行四边形型；研究揭示可以利用T-θ曲线、扭矩时变曲线、摩擦耗散能(Ed)、平均变形刚度(k)和粘着区比例(i)等参数表征扭动微动磨损的动力学特性；研究结果显示,随着角位移幅值的增加,扭动微动依次运行于部分滑移区(PSR)、混合区(MFR)和滑移区(SR)；研究建立了不同材料扭动微动的运行工况微动图(RCFM)和材料响应微动图(MRFM),发现与其它微动模式不同,扭动微动的混合区具有特殊性,即在混合区,磨痕黏着区随着循环周次的增加而减小直至消失；结果显示扭动微动磨损强烈地依赖于法向载荷、角位移幅值、循环周次和材料性质,研究建立了扭动微动磨损的物理模型；金属材料在不同微动区域的特征总结如下：a)部分滑移区：磨痕呈环状,接触中心黏着且无损伤,微滑发生在接触边缘的圆环内,磨损轻微；磨损主要表现为磨粒磨损和轻微氧化磨损；此时微动白层已形成。b)混合区：随着循环周次的增加,粘着区逐渐缩小,并最终消失,接触状态由部分滑移转变为完全滑移；混合区磨痕轮廓呈“W”型,磨损发生在微滑区内,是磨粒磨损、氧化磨损和剥层共同作用的结果；Fe-C合金中含碳量增加,以剥层机制发生材料剥落的倾向增加；横向裂纹在微动白层与塑性变形层的界面形成,颗粒剥落是横向裂纹与垂向裂纹沟通的结果；剖面可观察到向基体内扩展的倾斜裂纹,表明该区域的局部疲劳裂纹扩展速率大于磨损速率。c)滑移区：磨损发生在整个接触区,典型的磨痕轮廓呈“U”型,损伤较严重；与混合区一样,滑移区的磨损机制主要表现为磨粒磨损、氧化磨损和剥层；在剖面未发现倾斜裂纹,表明该区的局部磨损速率大于疲劳裂纹的扩展速率。(二)扭动微动接触界面的氧化行为在可控气氛条件下,研究了金属材料在不同气氛(工业纯氮、工业纯氧和大气)和相对湿度(10%RH、60%RH和90%RH)下的扭动微动运行和损伤行为,重点分析了微动界面的摩擦氧化机理。研究结果显示：(a)气氛中含氧量增加,混合区和滑移区向小角位移幅值方向移动。在氮气气氛下的扭动微动磨损机制为磨粒磨损和剥层,对于含氧气氛(工业纯氧和大气),磨损机制还包括氧化磨损。(b)较高的相对湿度明显降低了摩擦扭矩和磨损；随着相对湿度的增加,混合区的范围逐渐缩小,混合区和滑移区向小角位移幅值方向移动。(c)XPS的结果表明潮湿气氛中的水分促进摩擦过程中氧化反应的发生,氧化产物起到了类似固体润滑剂的作用,减轻了磨损。摩擦氧化增加了界面滑移,产生的氧化磨屑不易排出接触区,并有利于减少磨损。(三)高聚物的不同摩擦配副的影响分别研究了PMMA和UHMWPE在不同摩擦配副条件下的扭动微动运行和损伤行为,发现高聚物的扭动微动特性随摩擦配副的不同而不同。研究结果表明：(a) PMMA和UHMWPE具有与金属材料一致的扭动微动运行规律。研究讨论了法向载荷、角位移幅值对扭动微动运行区域和损伤行为的影响。(b)与PMMA板对GCr15钢球配副相比,PMMA板对PMMA球配副的扭动微动混合区和滑移区向大角位移方向移动；在相同试验条件下,磨痕深度和宽度后者(PMMA/PMMA)均比前者(PMMA/GCr15)要大,即磨损更严重；对于PMMA/GCr15摩擦副,磨损主要由产生银纹的疲劳磨损机制控制,而对于PMMA/PMMA摩擦副,磨损则主要由形成犁沟的磨粒磨损机制控制。(c)与UHMWPE板对TC4钛合金球配副相比,UHMWPE板对Al2O3陶瓷球配副的扭动微动混合区和滑移区向小角位移方向移动；在相同试验条件下,磨痕深度和宽度后者(UHMWPE/Al2O3)均比前者(UHMWPE/TC4)要大；然而，UHMWPE/TC4摩擦副的表面损伤更明显,其磨损受磨粒磨损和疲劳磨损控制；对于UHMWPE/Al2O3摩擦副,扭动微动磨损机制主要为磨粒磨损。(四)牛天然活性软骨的扭动微动运行和损伤行为对牛的天然活性软骨／Al2O3陶瓷球在Ringer’s溶液中的扭动微动磨损研究发现：软骨表现出与金属材料和高聚物不同的动力学特性,例如增加法向载荷,接触界面的相对滑移增加,摩擦扭矩的演变过程与其它材料不同；软骨特殊的动力学行为可能与软骨挤出物的润滑作用有关；SEM观察结合HE染色法分析表明软骨的扭动微动磨损主要表现为疲劳磨损,并建立了其损伤的物理模型。(五)扭动微动接触的有限元分析使用ANSYS软件,建立了球-平面接触条件下的扭动微动有限元模型。在弹性变形范围内,考察了循环周次、角位移幅值、接触界面摩擦系数对接触应力分布和黏滑状态的影响。总之,数值模拟结果和试验研究结果有很好的一致性。