微动疲劳：概念与基本术语

当相互接触的两弹性体处于振动工况时，虽然在法向（接触面法线方向）载荷的作用下，从宏观层面上接触表面保持“近似紧固”的状态，但在微观层面，由于切向（接触面平行方向）载荷以及两弹性体非协同形变的作用，会在接触区局部产生相对的滑动，这一相对滑动一般为微米量级，称之为“微动”（fretting）。如图1.1所示，由于微动的存在，机械零部件接触表面发生磨损，或引起疲劳裂纹的萌生与扩展，最终导致整个机械连接结构的失效。

微动疲劳（fretting fatigue）是指在交变载荷作用下，相互接触的两表面间发生微小的滑动（一般其位移量为微米级，通常在几微米到几百微米之间），进而加速疲劳裂纹的萌生和扩展，导致疲劳失效的现象。由微动磨损导致接触表面的损伤，在交变载荷的作用下，更容易发生疲劳破坏。相同试件的疲劳试验，存在微动作用时的疲劳寿命比不存在微动作用时的疲劳寿命降低30%～50%。对大量试验数据的研究发现，微动条件下材料的疲劳极限会降低到普通疲劳极限的1/4。罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce）对航空发动机的一些关键零件的研究表明，微动损伤导致构件的使用寿命下降约30%，特别是对长寿命构件的影响更严重。微动疲劳造成的失效在工业领域广泛存在，绝大多数的机械紧密配合，如螺栓连接、榫连接、铆连接和花键连接等都易发生微动疲劳现象。

图1.1　微动产生的磨损和疲劳裂纹

（a）微动产生的磨损；（b）微动产生的疲劳裂纹

由于微动现象与机理的复杂性，对微动问题的研究又分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀等几个研究方向，不同学者对微动概念的理解也有所不同。为便于表述和开展研究工作，本书以美国材料与试验协会（ASTM）规定的术语为准，一些主要名词和术语说明如下：

微动（fretting）：微小振幅的往复运动，通常为两接触表面的切向运动。

微动损伤（fretting damage）：由微动引起的接触表面的凹陷、划痕、剥落以及材料的转移。

微动疲劳（fretting fatigue）：在微动和脉动应力与应变共同作用下的微动损伤位置的裂纹形成、扩展及完全断裂的过程。(www.xing528.com)

常规疲劳（plain fatigue）：一般用来描述不存在微动情况的疲劳问题。

微动磨损（fretting wear）：由于微动引起的磨损。

法向载荷（normal force）：接触界面法线方向的载荷。

切向牵引力（tangential force）：与接触界面平行的作用力。

滑移（slip）：接触表面的局部滑动。

部分滑移（partical slip）：在一个加载循环中，接触体的接触面上只有部分发生相对滑动的接触状态。

全局滑移（gross slip）：在一个加载循环中，接触体的接触面上所有对应点都发生相对滑动的接触状态。

滑移量（displacement amplitude）：峰-峰相对位移除以2或总循环位移除以4。