Page 185 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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970 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
边缘呈现密集点蚀坑. 由图4(b1)可知，疲劳钢丝磨痕 次时疲劳钢丝最大裂纹深度结果列于表3中.
呈现涂抹痕迹、较浅腐蚀凹坑、轻微犁沟和磨屑颗粒， 为了定量表征疲劳钢丝最大裂纹深度演化规律，
磨痕边界不明显；由图4(b2)可知，疲劳钢丝磨痕呈现 建立了每个微动频率时疲劳钢丝最大裂纹深度随疲
加剧犁沟、大尺寸凹坑和磨屑颗粒，磨痕边缘呈现密 劳周次演化的理论拟合曲线[图6(a)]，拟合公式见式
集腐蚀坑；由图4(b3)可知，疲劳钢丝磨痕呈现细条状 (1)和式(2)，微动频率3、4和5 Hz时拟合优度R 分别为
2
犁沟、长裂纹、压痕和磨屑，磨痕边界线明显，磨痕边 0.94、0.96和0.96，说明拟合度较好. 在相同微动频率
缘呈现密集腐蚀凹坑和磨屑堆积；由图4(b4)可知，疲 时，随着疲劳周次的增加，疲劳裂纹扩展速率(曲线斜
劳钢丝磨痕呈现大量腐蚀坑、长裂纹和许多微裂纹、 率dh/dN)先缓慢增加，裂纹扩展进入稳态扩展区，之
犁沟、压痕和磨屑. 由图4(c1)可知，疲劳钢丝磨痕呈现
后，裂纹扩展速率急剧上升，裂纹扩展进入快速扩展
条状犁沟、稀疏腐蚀坑、大量细小点蚀坑、材料黏着和
[21]
区 . 结合图5和表3可知，疲劳钢丝最大裂纹深度亦
磨屑，磨痕边缘呈现密集腐蚀坑；由图4(c2)可知，疲劳
随疲劳周次增加而增大，是由于酸性电解质溶液阳极
钢丝磨痕呈现条状犁沟、材料黏着、大量微裂纹和磨
溶解、微动磨损和拉扭疲劳耦合作用加剧引起的.
屑，磨痕边缘呈现密集的不同尺寸腐蚀坑和材料堆
−7
2
积；由图4(c3)可知，疲劳钢丝磨痕呈现条状犁沟、材料 h = 2.112×10 −10 × N −5.788×10 × N +0.01932 (1)
2
−7
黏着和大量微裂纹，磨痕边缘呈现密集腐蚀坑；由图4(c4) h = 1.862×10 −10 × N −3.808×10 × N +0.02094 (2)
可知，疲劳钢丝磨痕呈现条状犁沟、多条长裂纹和许 由图5、图6和表3可知，在相同疲劳周次，微动频
多微裂纹、压痕和磨屑，磨痕边缘呈现大量点蚀坑. 因 率增加导致疲劳钢丝最大裂纹深度和裂纹扩展速率
此，在不同微动频率时，钢丝磨损机理均为磨粒磨损、 均降低；在微动频率3、4和5 Hz时，疲劳钢丝拉扭复合
黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损. 在相同微动频率时， 微动腐蚀疲劳寿命分别为4.52×10 周次、4.99×10 周次
4
4
疲劳钢丝表面损伤随着疲劳周次增加而加剧；在相同 和5.23×10 周次，故拉扭复合微动腐蚀疲劳寿命随微
4
疲劳周次时，微动频率增加导致疲劳钢丝表面微动损
动频率增加而增大. 这是因为微动频率较低时，酸性
伤加剧，电化学腐蚀效应削弱，这是因为微动频率增 电解质溶液进入疲劳钢丝裂纹较充分，裂纹尖端受到
加，电解质溶液与钢丝接触面作用时间缩短.
挤压应力较大而加速裂纹扩展；随着微动频率增加，
4 疲劳裂纹扩展行为 酸性电解质溶液对钢丝接触面作用时间缩短，裂纹尖
[22]
端阳极溶解效应削弱，氢在裂纹尖端扩散和渗透 程
由图5可知，左图疲劳钢丝横截面裂纹轮廓线分 度下降，进而导致裂纹尖端韧性和表面能升高，裂纹
别对应于右图疲劳钢丝轴向不同横截面位置. 疲劳钢 扩展速率降低. 同时，由第3节“疲劳钢丝磨痕区电化
丝裂纹萌生于磨痕区，与疲劳钢丝轴线先垂直，后沿 学腐蚀损伤随微动频率增加而降低”结论可知，拉扭
一定倾角扩展，这是因为疲劳裂纹总是沿着疲劳钢丝 微动疲劳在疲劳钢丝裂纹扩展中主导作用随着微动
[1]
最大剪应力方向扩展 . 沿疲劳钢丝轴向位置A-A~D- 频率增加而愈加明显.
D，疲劳钢丝截面裂纹轮廓线均围绕磨痕区，由不规则
5 电化学腐蚀行为
圆弧状趋向于直线状，疲劳裂纹深度逐渐增加. 依据
疲劳钢丝轴向不同位置横截面裂纹轮廓线，可测量出 图7为不同微动频率时疲劳钢丝极化曲线和Nyquist
疲劳钢丝最大裂纹深度h max ，不同微动频率和疲劳周 图. 由图7(a)可知，每种微动频率时，疲劳钢丝极化曲
线包括阳极极化曲线和阴极极化曲线，两条极化曲线
表 3 不同微动频率时疲劳钢丝最大裂纹深度和疲劳寿命
交点为自腐蚀电位，自腐蚀电位表征失去电子难易程
Table 3 Maximum crack depths and fatigue lives of [4]
fatigue wires in case of different fretting frequencies 度和腐蚀倾向 . 在阳极极化曲线中，随着极化电位的
增加，腐蚀电流先快速增加后缓慢增加. 腐蚀电流快
Maximum crack depth/μm
Fatigue cycles
f= 3 Hz f= 4 Hz f= 5 Hz 速增加是因为强腐蚀性电解质溶液导致腐蚀产物膜
2×10 4 114 109 92 快速溶解；之后，腐蚀电流缓慢增加说明钝化膜和致
4
3×10 183 176 152 密腐蚀性产物膜形成，有效减缓疲劳钢丝阳极溶解效
4
4×10 268 261 212
2+
4 应. 因此，阳极反应为阳极溶解反应，即Fe-2e→Fe .
4.4×10 378 − −
4
4.9×10 − 346 − 在阴极极化曲线中，随着极化电位的增加，腐蚀电流
4
5×10 − − 319 先快速降低后缓慢降低，当腐蚀电位接近自腐蚀电位
