《第五章疲劳磨损》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章疲劳磨损（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第五章 疲劳磨损,目 录,5.4 典型零件的失效特征与分析,5.2 疲劳磨损基本原理及影响因素,5.3 疲劳磨损的试验研究方法,5.1 疲劳磨损概述,5.5防止疲劳磨损的表面处理技术,5.1 概述 定义 疲劳磨损也叫接触疲劳，是指当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的,疲劳强度的情况下，表面层 将引发裂纹，并逐步扩展， 最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。,疲劳磨损一般都经历裂纹的萌生、扩展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。 早期的磨损分类，没有把这种接触疲劳划入磨损的范畴。后来的研究发现，不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其它磨损形式中，也都
2、发现了表面接触疲劳过程，因此，接触疲劳完全可以被认为是一种独立的，而且是相当普遍的磨损形式。,2.疲劳磨损与整体疲劳之间的区别 （1）裂纹源和裂纹扩展途径不同,与表面成1030角或平行于表面,表面或亚表层,（2）疲劳极限的差别,整体疲劳存在明显的疲劳极限； 疲劳磨损尚未发现疲劳极限，,（3）作用过程的差别 整体疲劳一般只受循环应力的作用； 疲劳磨损除循环应力作用外，摩擦过程可以引起表面层一系列的物理化学变化。 （4）应力计算上的差别 疲劳磨损的应力计算受材料的均匀性、表面特征、载荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。,综上所述，为了深入了解疲劳磨损的机理和规律，必须对一些主要的问题进行系统的研
3、究，包括接触应力的计算、各种工作条件的影响、材料组织结构性能参数及表面特征的影响、疲劳裂纹的萌生及扩展规律、材料接触引起的表面层变化及其影响等等。,整体疲劳 疲劳磨损,5.2 基本原理及影响因素,1.基本原理,在疲劳磨损的初期阶段是微裂纹的形成阶段，无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展起重要影响。,（1）点蚀 点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即形成点蚀。单个点蚀坑的表面形貌常表现为“扇形”。,点蚀实物图,疲劳点蚀诱发机理：疲劳裂纹扩展成点蚀理论、摩擦温度诱发点蚀理
4、论以及最大剪应力理论。 1）疲劳裂纹扩展成点蚀理论 由SWay于1935年提出： 发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑； 润滑油粘度高于某一定值，点蚀将不会发生； 光滑的接触表面不易发生点蚀； 热处理条件对于点蚀有显著的影响。 根据裂纹的扩展方向分为两种情况：,（1）裂纹开口迎向接触点,（2）裂纹开口背离接触点,在这种情况下，由于接触压力产生的高压波会以极高的速度进入裂纹，对裂纹壁产生强大的液体冲击，同时配对的接触表面又可能将裂纹口封闭，使裂纹内的油压进一步增高，从而使裂纹向纵深扩展。裂纹的缝隙越大，作用在裂纹壁上的压力也越大。,另一种情况是裂纹方向背离接触点(见右图)。这时当裂纹开口逐渐进
5、入接触区，由于开口没有被封闭，润滑油被挤出，因此这种裂纹不会扩展，也不会发展成为点蚀。,2）摩擦温度诱发点蚀理论,摩擦温度引发点蚀形成过程的框图,认为当两圆柱体互相接触时，由于表面粗糙不平使得局部实际接触区的压力很大表面层将发生塑性变形，因此接触区处于瞬时高温状态。在这种温度变化和高压作用下，接触区的金属组织将逐渐发生变化，同时产生局部的内应力，使得表面层的金属组织结构变得与基体金属显著不同，并使它加长和居宽，在表面层引起很大的压应力。当压应力超过临界值时，此表面层便会丧失稳定性而隆起。但这种隆起现象只有在材料具有绝对均一性的条件下才能实现而实际的材料往往是不均匀的，结果在表面层便可能出现裂纹
6、或剪断，然后再受到润滑泊的作用便成为点蚀。,3）最大剪应力理论,前述两种理论限于当时的条件，都缺乏深入的力学及微观组织结构的分析，也缺少充分的试验证明，因此只能认为是一种假说。近些年来逐渐形成了一种新的比较深入的理论。认为点蚀裂纹主要发生在接触表面下的最大剪应力处，如右图所示，这种理论可以用错位理论来解释。,剪应力方向和大小反复发生变化，在亚表层内将产生位错运动，位错的互相切割产生空穴，空穴的集中形成空洞，最后发展成裂纹。,裂纹产生的判据：,临界剪应力 表面能裂纹扩展到邻近晶粒的塑性变形功 弹性模量 平均晶粒直径 决定于正应力三向性的常数,（2）剥落 剥落与点蚀，就其本质来讲是相同的，都属于接
7、触疲劳 失效的形式，但其特征有所区别。剥落裂纹一般起源于亚表 层内部软深的层次(如可达到几百个微米)，沿与表面平行 方向扩展，最后形成片状的剥落坑。 一般认为，剥落裂纹是由亚表层的循环切应力引起的，所以在解释剥落产生的原因时，首先要考虑最大切应力 或正交切应力 的大小，前者是脉动的，后者是交变的。同时也要考虑亚表层内材料性能的变化。在一般情况下，由于加工硬化的,原因，亚表层内的硬度会超过基体，而且越靠近表面硬度越 高。假定材料的屈服强度或疲劳强度是与硬度成正比的，则 将切应力与硬度值HV的比值，或者将其比值的幅值,作为衡量剥落裂纹产生的控制参量。,剥落实物图,载荷性质的影响,1,材料性能的影响
8、,2,表面粗糙度的影响,3,润滑剂润滑剂的影响,4,5,环境的影响,2.影响疲劳磨损的因素,2.1 载荷性质的影响 （1）苏联科学家的试验 短期的高峰载荷周期性地附加在基本载荷上，不仅不降低反而提高了接触疲劳寿命。只有当高峰载荷作用时间接近循环周期时间一半时，高峰载荷才开始降低接触疲劳寿命。,（2）温诗铸教授的试验 施加拉伸弯曲应力显著地缩短接触疲劳寿命，而压缩弯曲应力对疲劳寿命的影响取决于压缩弯曲应力的数值大小。较小的附加压缩应力能够增加疲劳寿命，而大的压缩弯曲应力将降低疲劳寿命。,另外，少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，因为，摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹萌生的可能性
9、。此外，摩擦力所引起的拉应力促使裂纹扩展加速。,应力循环速度越大，表面积聚热量和温度就越高，使金属软化而降低机械性能，因而加速表面的疲劳磨损。,2.2 材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。,通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低接触疲劳寿命。,（1）材料组织性能的影响,但从总的趋势是认为，增加残余奥氏体量可以增大接触曲积，使接触应力下降，会发生形变强化和应变诱发马氏体相交，提高表面残余压力，阻碍疲劳裂纹的萌生与扩展。因此其含量越高，疲劳寿命也越长。,具有
10、同一硬度水平HRC3436的4340钢，具有不同的显微组织，一种是回火珠光体，渗碳呈颗粒状；另一种是正火组织，渗碳呈细片状。两组试样在1.1m/s的滑动速度下进行试验，结果证明：后者的后者的擦伤残荷约为前者的3倍。,2.3 表面粗糙度的影响 粗糙度值越大，疲劳寿命越短。 因为实际加工表面的微凸体接触，使椭圆分布的应力场变成了很多分散的微观应力场，从而引发了很多微观点蚀。微观点蚀的出现往往构成了宏观点蚀裂纹的起源，因此，提高表面光洁度有利于延长疲劳磨损寿命。,2.4 润滑与润滑剂的影响,实验表明：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。下面是粘度影响疲劳磨损机理的不同观点： 增加润滑剂粘度使弹流油
11、膜增厚，从而减轻粗糙峰的互相作用； 润滑油中带有水分，加速疲劳裂纹的扩展； 表面吸附了氢原子，可以降低表面能，使裂纹在较低应力下扩展； 在高温下润滑油的分解，会在高应力区造成酸性物质的堆积，降低接触疲劳寿命。,在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触疲劳寿命高于使用天然油的，因为合成油的粘压系数值较大，因而油膜厚度较大。说明油膜厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。 在疲劳磨损的初期阶段是微裂纹的形成阶段，无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展起重要影响。,2.5 环境的影响 环境对于金属疲劳有很大的影响，同样地对疲劳磨损也
12、有重要作用。因为疲劳磨损只限于表面层，表面积/(承受应力的体积)比值比一般整体疲劳要大得多。因此环境的因素在这种情况下具有更大的影响。 例如在润滑油中有水分，将加速轴承钢的接触疲劳失效，甚至很少量的溶解水分都是很有害的，而且油中带水将使油膜厚度变小。,5.3 疲劳磨损的试验研究方法,ZYS-5型双面对滚式,我国接触疲劳试验机,ZYS-7型锥体式,JPM-1型,JP-BD1500型滚子式,TLP型推力片式,下面就以应用最广的JPMl型滚子试验机为例介绍一下接触疲劳的试验方法。,JPMl型接触疲劳试验机的原理如图738所示：,试验机的最大工作负荷为19600N。在表7.2所列范围内允许连续工作。试
13、验机的结构共分为传动系统、加载系统、润滑系统及电气系统四个部分。,1传动系统 由主电机4通过皮带轮3、6经轴7，联轴古14韦轴15带动下试件27旋转。另外通过轴7上齿轮8经轴13到轴12再经联轴节16到轴18带动上试件24旋转。通过改变挂轮21、22得列各种滑差。将控轮取掉相对滑差为零，可作纯滚动试验。 2加裁系统 加载的负荷是通过杠杆机构实现的。加载时，逆时针方向转动手轮32，经链轮31、41涡轮40，丝扛42，使托盘37与砝码脱开。于是砝码通过吊杆33，二级杠杆30，一级杠杆29及螺杆25传至摇摆头，经主轴19对试祥施加载荷。顺时针方向转动手轮32，使丝杠42向上运动，通过托盘把砝码托起，
14、即可实现卸载。,3润滑系统 试件润滑是由电动机带动齿轮油泵，经滤油器进入控制阀，控制阔上有二支油路，一支回到油箱，另一支通过试件。轴承润滑系统分为三个支路，二支分别润滑I轴两端的轴承，一文用于润滑挂轮。 4电气系统 交流控制部分，主要控制主轴电机和各套润滑系统的电机。自动控制部分包括自动停车、自动计数、光电转换、计时、稳压电源等。,(二)疲劳裂纹的观察及裂纹扩展速率的测定,根据测量结果，可以建立两个表示裂纹扩展情况的参数：裂纹严重程度参数 及裂纹扩展速率R。,5.4 典型零件的失效特征与分析,凸轮挺杆是发动机中一对主要的摩擦副由于工作条件比较苛刻，在接触区域经常处于边界润滑状态持别是随着发动机
15、转速、功率逐渐增加的趋势，它的磨损就成为一个日益突出的问题。凸轮挺杆的主要磨损失效形式是点蚀和擦伤，均属于疲劳磨损机制，因州这对摩擦副十分典型。 凸轮挺杆的材料是冷激铸铁，因为它具有独持的组织结构，非常良好的抗磨损性能，而且成本低廉。,(一) 凸轮点蚀的失效分析,冷激铸铁的金相组织屑于亚共晶型，包括初生的珠光体和共晶的莱氏体。由于表面激冷，珠光体与渗碳体生长为较发展的柱状晶。这种材料的凸轮产生点蚀的特征有两种基本类型。 1在正交剪应力作用下，裂纹从次表面萌生，水平扩展。 由于每一条渗碳体都被塑性较好的珠光体包围，在接触应力作用下，渗碳体的受力状态接近于三向压应力，因此塑性提高随着循环次数的增加
16、表面层组织发生明显的塑性渐变（图7.46）。,强烈的塑性变形必然造成位错密度大量增加,在珠光体与渗碳体的界面处位错运动受阻而形成塞积，当塞积群顶端的应力超过渗碳体的解理断裂应力时，就将在表面层受正交剪应力昂大的区域引发出裂纹，这种裂纹有时在一条渗碳体上可以出现45处之多(图7.47)。 真正能扩展成剥落裂纹的位置，并不在靠近表面的地方，而是在表面下一定的深度处大约在20一50um范围内(图748)。这种现象可能有几种解释:,裂纹扩展的深度刚好对应最大正交剪应力的位置。 由于在接触过程中，表面层中的珠光体发生了循环硬化，使其剪切抗力增加，而阻止了裂纹的扩展。 由于接触表面的摩擦温度,上升，使珠光体的塑性明显增加，从而避免了开裂。 这种点蚀剥落的形成过程可用示意图表示（图7.
