微动图理论：揭示微小运动的奥秘

微动图的概念最早由Vingsbo和Söderberg提出，经过不断完善和发展，最终由周仲荣和Vincent等于20世纪90年代建立。该理论揭示了微动损伤与微动运行机制之间的内在联系和规律，为判断和预测不同运行条件下的微动失效模式提供了强有力的分析手段。下面对两类微动图理论进行简单介绍。更为具体的论述请读者参阅周仲荣等的论著。

1.运行工况微动图（Running Condition Fretting Map，RCFM）

大量不同工况的试验表明，接触表面的摩擦力Ft和位移D是表征微动状态的最重要的参数。通过对不同接触材料以及不同试验条件（位移、载荷、循环次数、接触模式等）的大量试验分析，能够建立Ft-D曲线与微动状态的对应关系，得到了如图2.10所示的三种典型模式。封闭形曲线出现在位移幅值极小或接触压力较大的工况，接触表面基本不发生相对滑动，位移主要来源于弹性变形，接触面处在弹性协调状态，基本无微动产生；椭圆形曲线出现在接触表面同时存在弹性变形和一定的微动循环所产生的塑性变形条件下，即接触区处于弹塑性变形状态，此时接触区存在微动区域，发生一定程度的微动磨损，易于萌生微动疲劳裂纹；平行四边形曲线通常发生在接触表面间产生了较大的相对滑移的情况下，此时接触面处在完全滑移状态，接触界面的磨损较为严重。其中，封闭形和椭圆形曲线对应着部分滑移的微动状态，平行四边形曲线对应着全局滑移的微动状态。

图2.10　摩擦力-位移曲线的基本形式及其与微动状态的对应关系

在微动演化的过程中，接触区的微动状态是动态变化的过程，因此，基于Ft-D曲线可进一步得到摩擦力-位移-循环次数的三维曲线，称为微动摩擦特性的Ft-D-N曲线。根据曲线的演化规律不同，又划分为部分滑移区（Partical Slip Regime，PSR）、混合区（Mixed Fretting Regime，MFR）和滑移区（Gross Slip Regime，GSR）三种类型，如图2.11所示。当微动过程处于部分滑移区时，Ft-D曲线为封闭形，摩擦力稳定不发生变化，两表面间不发生相对滑动，仅在接触区的边缘位置有轻微的微滑移，处于该状态的微动，主要以接触表面的弹性调节为主，产生的第三体较少，以二体相互作用为主；当处于混合区时，摩擦力随滑移幅值的变化规律较为复杂，上述三种Ft-D曲线均可能在该区域中交替出现，该区域相对稳定的Ft-D曲线大多呈椭圆形，在该状态下，部分接触区域已处于三体接触，但二体间的直接作用，如弹性变形以及可能的裂纹调节仍起较大作用；当处于滑移区时，Ft-D曲线呈现完全打开的平行四边形，在整个循环的任意循环周次，两表面之间均具有较大的相对滑移，接触区处在三体接触状态，第三体的产生和溢出保持动态稳定，接触表面磨损较为严重。

图2.11　摩擦力-位移-循环次数曲线及三个微动区域

（a）部分滑移区；（b）混合区；（c）滑移区(www.xing528.com)

从上述微动区域的典型模式分析可以看出，针对不同的试验工况，可通过改变两个试验参数来调节微动状态。如图2.12所示，取法向压力Fn（法向压力直接影响接触区摩擦力的大小）为纵坐标，位移幅值D为横坐标，可将不同的微动状态划分为不同的区域，称之为运行工况微动图。由图可清楚地看到，在极小位移或较大压力时，微动运行处于部分滑移区；反之，当位移较大或压力较小时，微动过程处于滑移区；而介于两者之间的为混合区。通过运行工况微动图，可对任意工况下的微动运行状态进行精确的描述。

2.材料响应微动图（Material Response Fretting Map，MRFM）

以运行工况图为基础，通过对不同运行工况下的微动区域的破坏和损伤模式进行分析，可将运行工况与材料的失效模式对应起来，从而得到材料响应微动图。如图2.13所示，材料响应微动图也可划分为三个区域：轻微/无损伤区、裂纹区和磨损区。总体上，处于轻微/无损伤区时，微动接触区无明显表面损伤；处于裂纹区时，接触区可观测到疲劳裂纹，并伴有冷作硬化层和少量磨屑；处于磨损区时，有大量的磨屑产生，接触区由于磨损形成麻坑。上述三个区域大致与运行工况图的部分滑移区、混合区和滑移区一一对应。

图2.12　运行工况微动图

图2.13　材料响应微动图

综上所述，通过两类微动图理论，我们即可对微动的运行状态、演变过程以及失效形式给出定性的分析，为采取缓解和防止微动损伤的措施提供了有力的理论支持，具有重要的理论和应用价值。