Page 130 - 《摩擦学学报》2021年第1期
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第 1 期 袁新璐, 等: 位移幅值对铜镁合金微动磨损行为的影响 127
Linear slide Load
Pressure sensor
Displacement sensor
Compression spring Move
Upper holder PZT
actuator
Friction sensor
Lower holder
Linear guide rail
Base
Fig. 1 Schematic diagram of fretting test equipment
图 1 微动试验机结构简图
位移幅值条件下，微动摩擦力(F )、位移幅值(D)与循 而是呈现中间微微张开的回线状，如图2(b)所示. 随着
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环次数(N)的三维曲线图(F -D-N)，它可以清楚地描述 循环次数的增加，张开的F -D曲线逐渐闭合，有向直
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出微动动态演化过程 [23-25] . 根据F -D-N摩擦特性曲线 线状转化的趋势，分析这一原因，可能和接触面积的
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特征，铜镁合金微动运行分为两个区域：部分滑移区 增加有关，塑性变形使实际接触的粗糙峰数目增加，
和完全滑移区，未发现混合滑移区. 结合图3中的磨痕 这些粗糙峰整体抵抗弹性变形能力增强，所以塑性变
形貌特征，定义了铜镁合金微动运行的三种接触状 形在这一过程中减弱，接触状态仍然保持弹性变形为
态：弹性变形协调的部分滑移状态，塑性变形协调的 主. 以上两种接触状态被定义为弹性变形协调的部分
部分滑移状态，和完全滑移状态. 随着位移幅值的增 滑移状态. 位移幅值D=10 μm，如图3(c)所示，黏着区
加，弹性变形协调的部分滑移状态逐渐向塑性变形协 被分割成中心点接触的黏着区和外侧面接触的环状
调的部分滑移状态过渡，最后进入完全滑移状态. 黏着区. 中心黏着区各自独立的粗糙接触点同样承受
当微动位移幅值处在低水平(D=2.5 μm)时，F -D- 塑性剪切，与D=5 μm情况相比，接触点密度明显增
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N曲线呈现近似直线状，如图2(a)所示，切向力和位移 加，说明位移的增加使实际接触面积增大. 黏着接触
的线性关系对应着材料在弹性阶段的应力应变关系， 点被塑性剪切的程度沿半径方向增大，在黏着区和微
施加的位移被粗糙接触点的弹性变形协调；磨痕光镜 滑区边界处最为强烈，导致临近的接触点塑性变形后
图可以看出，图3(a)所示，接触区域保持在黏着状态， 相互交叠，连接成片，最终形成了环状黏着区. 从图2(c)
在表面膜的保护下，接触中心没有明显损伤，而边缘 中F -D-N曲线看出，微动在刚开始阶段，接触表面发
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出现轻微滑动的痕迹，这些特征与Mindlin弹性接触理 生了相对滑移，F -D曲线呈平行四边形状，但这不是
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[26]
论对应一致 . 当位移幅值D=5 μm，粗糙接触点的弹 实际基体材料之间的相互作用，而是接触表面覆盖的
性变形已经不足以抵抗施加的位移，接触表面出现了 污染膜在相对位移较大情况下发生了相对滑移. 在经
大量粗糙峰在黏着状态(真实接触的微凸体上受到很 历十几个循环后，表面膜迅速破裂，基体表面的粗糙
大的接触应力，超过材料屈服极限而产生塑性变形， 峰直接接触并迅速产生黏着，F -D曲线转变为细长的
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在这种情况下接触点将形成牢固的黏着结合，宏观表 椭圆形. 随着循环次数的增加，实际接触面积增加，塑
现为“冷焊”效应，尤其相同材料之间这种效应更加明 性变形作用减弱，椭圆形中间开口面积逐渐减小. 位
显 [27-29] )下被塑性剪切的痕迹，如图3(b)，且沿着接触中 移幅值D=20 μm时，图3(d)所示，接触中心仍然处在黏
心向外，在微动方向上的塑性剪切程度逐步增加，最 着状态，但沿微动方向塑性剪切的程度明显加剧，黏
强烈的塑性变形出现在黏着区和微滑区的边界处. 施 着接触点被撕扯后留下的条形特征清晰可见；磨痕边
加的位移此时是由接触表面弹性变形和塑性变形共 缘有轻微滑动摩擦的痕迹，在黏着区和微滑区的边界
同调节，所以切向力-位移曲线不再是标准的直线型， 处，黏着剪切和塑性变形最为严重. 图2(d)中F -D-N曲
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