疲劳磨损是一种重要的磨损机制,广泛存在于机械运动的多种磨损模式当中。抽油机横梁支撑轴与无内圈滚针轴承的滚针构成的35Cr Mo/GCr15摩擦副,在滚动和滑动中均存在疲劳磨损。本文针对35Cr Mo/GCr15摩擦副的疲劳磨损问题,根据剥层理论、接触理论和分形理论,采用往复滑动磨损试验、压缩疲劳试验和环块磨损试验和有限元法,分别从滑动磨损、塑性接触、微凸体碰撞和微凸体疲劳损伤层面,研究了35Cr Mo/GCr15摩擦副的磨损特性、接触力学行为、疲劳损伤,分析了疲劳磨损机理。主要研究成果如下:(1)采用往复滑动磨损试验,分析了磨损体积的影响因素,研究了35Cr Mo/GCr15摩擦副的滑动磨损机理和疲劳机制。往复滑动频率f和交互作用P×f对35Cr Mo块试样的磨损体积均有影响,其影响程度依次为载荷P(50.70%)、交互作用P×f(30.42%)往复滑动频率f(17.30%)。发现不同试验条件下,滑动磨损机理有所区别,剥层磨损在载荷与频率同时最大的试验条件时出现,粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损会同时出现;认为滑动磨损中的疲劳机制为应变疲劳和剥层磨损,其主要原因是接触表面层的塑性变形引起的材料裂纹萌生、扩展和断裂。(2)采用压缩疲劳试验和滑动磨损试验,分析了35Cr Mo块试样塑性接触面积Arp和塑性接触面积比率Arp/Ar与磨损量以及疲劳机制的关系。认为塑性接触面积比率的变化量δArp/Ar可以描述磨损量的变化,Arp/Ar变化越大,磨损量也越大。塑性接触面积的减少的原因是由材料的应变疲劳和剥层磨损引起的塑性变形区域材料剥落。(3)建立了微凸体接触和碰撞有限元模型,仿真模拟了35Cr Mo/GCr15摩擦副滑动磨损过程中微凸体的碰撞。分析了微凸体碰撞对完全弹性接触状态、弹塑性接触Ⅰ、Ⅱ区和完全塑性接触状态时微凸体的应力分布和应变分布。其中,当微凸体处于完全塑性接触状态时,微凸体等效塑性应变的峰值形成以接触中心为圆心的应变峰值环,应变峰值位于亚表层。微凸体碰撞使亚表层内剪切应力的大小、方向不断地发生变化,转变成疲劳载荷,从而使亚表层的材料萌生疲劳裂纹并扩展至表面,以薄片状被磨损掉,产生疲劳磨损。(4)分析了摩擦系数COF(Coefficient of Friction)对微凸体接触Von Mises应力、剪切应力和等效塑性应变的影响。摩擦系数对微凸体接触Von Mises应力因接触状态的不同而异,摩擦使接触表面和亚表层中的等效塑性应变随COF的增加而增加。摩擦系数COF使非完全塑性接触状态下接触表面和亚表层的τxy幅值随着COF的增加而增加。(5)模拟了不同接触状态下微凸体产生疲劳损伤的过程。在循环碰撞的作用下,处于非完全塑性接触变形状态的微凸体,其疲劳损伤同时从应变峰值环及环内接触区域开始产生;当微凸体处于完全塑性接触变形状态时,疲劳损伤首先从应变峰值环产生,然后向环内接触区域扩展。微凸体的疲劳失效都是从应变峰值环开始,然后向环内接触区域和环外扩展。随着塑性变形的增加,疲劳失效更加容易,环内接触区域中同时失效的材料增多,更容易断裂、剥落,形成剥层磨损。(6)分析了剪切应力τxy在微凸体的疲劳损伤过程中的特点,发现τxy在应变峰值环内,幅值变化,方向基本保持不变,在应变峰值环外,幅值和方向均发生变化,表现出疲劳应力的特点。