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1、1,3.4 疲劳磨损,3.4.1 疲劳磨损的实质与特点 3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别 3.4.3 疲劳磨损的基本原理 3.4.4 疲劳磨损的影响因素,2,3.4.1 疲劳磨损的实质与特点,也被称为接触疲劳磨损，是在循环载荷作用下产生的表面失效形式， 其过程包括裂纹的萌生、扩展及最后断裂，其典型特征为点蚀及剥落。 与整体的疲劳断裂有很多相似之处，可以看作材料疲劳断裂的一种特殊形式。,3,疲劳磨损是一种最普遍的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的零件表面上。如滚动轴承、齿轮、车轴、钢轨、轧辊等。,4,3.4.1 疲劳磨损的实质与特点,从本质看，接触疲劳符合磨损的一般规律，即
2、发生接触、摩擦、造成表面累计损伤并形成磨屑，特别是不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其它磨损形式中，也都发现了表面疲劳过程，因此疲劳磨损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。 疲劳磨损定义：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，在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。,5,3.4 疲劳磨损,3.4.1 疲劳磨损的实质与特点 3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别 3.4.3 疲劳磨损的基本原理 3.4.4 疲劳磨损的影响因素,疲劳磨损与整体疲劳的区别 整体 磨损,6,裂纹萌生和扩展方式 疲劳寿命 环境复杂程
3、度 计算和追踪复杂性,7,8,3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别,区别一： 裂纹源的萌生位置,整体疲劳,疲劳磨损,表面,亚表层,裂纹扩展的途径和方向,9,3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别,表面沿与外加应力成45角的方向扩展，超过两三个晶粒后，即转向与应力垂直的方向,整体疲劳,平行于表面，或是与表面成一定角度(约为1030 )，且只限于在表面层内扩展。,疲劳磨损,10,3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别,其二： 疲劳寿命 整体疲劳中，一般都存在明显的疲劳极限，即对某一种材料都有一个应力极限，低于该极限，疲劳寿命可认为是无限的。 疲劳磨损尚未发现这样的疲劳极限，零件的寿命波动很大。有经验公
4、式可以表示疲劳失效时间t与最大接触应力m之间的数值关系：,在点接触或线接触情况下，由于接触应力可以很高， 所以接触疲劳寿命要比整体疲劳低得多。,11,3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别,其三： 环境复杂性 疲劳磨损中，除循环应力作用外，材料还经受复杂的摩擦过程，可引起表面层一系列的物理化学变化（如残余应力、组织结构、缺陷特征、表面温度、塑性变形以及各种机械及物理性能变化等）。 这使疲劳磨损比整体疲劳处于更恶劣的工况，而且过程非常复杂。,12,3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别,其四： 计算和评价复杂性 接触应力的计算比起整体疲劳断裂的应力强度因子的计算更复杂，由于一系列的因素都会影响根据理
5、想光滑表面接触的假设条件(如材料是均匀的、各向同性的、只发生弹性变形等)计算出来的结果。 这些因素包括：材料的不均匀性、材料表面的特征、载荷分布及接触的不连续性、油膜建立情况、切向力的大小等等。,13,3.4 疲劳磨损,3.4.1 疲劳磨损的实质 3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别 3.4.3 疲劳磨损的基本原理 3.4.4 疲劳磨损的影响因素,14,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,疲劳磨损表面接触处应力的性质和数值变化趋势，可根据赫兹理论判定。,滚动接触时，在交变应力的影响下，裂纹容易在这里形核。 若除滚动接触还存在滑动接触，破坏位置就逐渐移向表面，因为纯滑动时最大应力应在表面处。,15,
6、3.4.3 疲劳磨损的基本原理,点接触,线接触,最大剪应力是发生在离表面一定距离处。,其距离点接触是0.47a,对（线接触）是0.78a,a为接触区宽度的1/2。,点蚀与剥落是机器零件表面上接触疲劳磨损的典型特征。,16,17,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,一、点蚀 点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展(与表面成l030角)，最后裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即成点蚀，因此单个的点蚀坑的表面形貌常表现为“扇形”或“贝壳形”。当点蚀充分发展后，这种形貌特征已难于辨别。,齿轮节圆上形成的点蚀,发动机冷激铸铁挺杆端面上的点蚀,18,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,1. 早期点蚀理论SW
7、ay模型（于1935年提出）： 1）发生点蚀的必要条件：摩擦副之间有油润 滑； 2）如果润滑油的粘度高于某一定值，点蚀将不 会发生； 3）光滑的接触表面不易发生点蚀； 4 ) 热处理条件对于点蚀有显著的影响。,19,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,点蚀过程： （1）裂纹的开口迎向接触点： 由于接触压力产生的高压油波以极高的速度进入裂纹，对裂纹壁产生强大液体冲击，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。,点蚀裂纹扩展示意图 (裂纹方向迎向接触点),20,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,裂纹的缝隙越大，作用在裂纹壁上的压力也越大。 裂纹与表面之间的材料
8、犹如一个悬臂梁承受弯曲载荷，当其根部强度不够时就将发生折断，在表面上形成点蚀坑。,点蚀裂纹扩展示意图 (裂纹方向迎向接触点),21,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,（2）裂纹方向背离接触点： 当裂纹开口逐渐进入接触区，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。,点蚀裂纹扩展示意图 (裂纹方向背向接触点),22,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,2. 早期点蚀理论摩擦温度诱发理论： 当两体互相接触时，由于表面粗糙不平，使局部接触区压力很大，表面层发生塑性变形，因此接触区处于瞬时高温状态。在温度变化和高压作用下，接触区的金属组织逐渐发生变化。同时产生局部内应力，使表
9、面层金属组织结构变化，并在表面层引起很大的压应力。,23,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,当压应力超过临界值时，表面层丧失稳定性而隆起。隆起现象只有在材料具有绝对均一性的条件下才能实现，而实际材料往往不均匀，结果在表面层可能出现裂纹或剪断，然后再受到润滑油的作用便成为点蚀。,图(b)表面层丧失稳定性而隆起；图(c)表面层形成裂纹；图(d)表面层发生剪断。,图(a) 基体金属形成特殊结构表面层,持续压力,丧失稳定性,变形 突起,局部不均匀,裂纹,继续作用,剪断,24,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,点蚀形成过程,25,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,3.新的认识点蚀裂纹主要发生在接触 表面下的最
10、大剪应力处。,不同运动方式下剪应力分布,理论解释？,26,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,位错理论解释。,位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。,位错是啥？,27,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,TEM观察 ： 原始状态材料中的位错密度很低，随循环次数增加，位错密度增加，并且堆积形成亚晶界（如图） 可认为点蚀裂纹的形成与亚结构有关，裂纹从表面沿亚晶界开始，然后向内扩展。
11、,N=0 68000,(b) N=2104 68000,(c) N=2106 13600,由于剪应力作用，亚表层内将产生位错运动，位错在非金属夹杂物或晶界等障碍处形成堆集。 因为在滚动过程中，剪应力方向反复变化，所以位错往复运动，由于位错的互相交割产生空穴，空穴聚集形成空洞，最后发展成裂纹。 裂纹产生后，在载荷的继续作用下，裂纹扩展，最后折向表面形成点蚀。,28,29,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,SEM观察 ：,30,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,小结： 点蚀裂纹发生在接触表面下的最大剪应力处。 点蚀裂纹的萌生，不仅决定于应力状态，而且与材料的组织结构、性能、表面粗糙度、表面完整性、以及
12、润滑状态与润滑剂等一系列因素有密切关系。,31,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,二、剥落 本质同点蚀。 特征有区别：剥落裂纹一般起源于亚表层内部较深的层次(如可达几百个微米)，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑。,滚动轴承内环表面的剥落,32,剥层理论 20世纪70年代，N.P.Suh提出：（“Delamination theory”）,接触,塑性变形,硬度梯度,犁削应力,更大的塑性变形,裂纹萌生,裂纹扩展,裂纹扩展,剥落,33,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,.当两滑动表面相互接触 时，软表面上的微凸体很 容易变形，并在反复应力 下发生断裂,形成磨屑，从 而使之变成一个较光滑的 表
13、面。即两个硬度有差别 的表面发生滑动接触后， 其接触模型可以简化为一 个粗糙表面与一个理想光滑 表面相接触。在硬表面微 凸体的作用下，软表面层 将发生整体的塑性变形。,两个滑动表面的接触模型 (a)物理模型；(b)简化模型； (c)单个微凸体接触模型,34,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,. 塑性变形引起位错的增殖与运动。但在最靠近表面的一个薄层里(约几到几十个微米的数量级)，位错密度很低，形成一个非加工硬化层，超过这层，塑性变形将引起亚表层的加工硬化，离表面越远硬化程度越低，因此在整个变形层中形成了一个先低后高再降低的硬度梯度 。,铝表面变形层的硬度梯度,35,3.4.3 疲劳磨损的基本原理
14、,3. 在法向载荷作用下，硬的微凸体很容易刺入软金属表面，使之发生变形和位移，产生较大的犁削应力，这是滑动表面摩擦力的主要分量。由摩擦力所传递的切向应力使表面层发生巨大的塑性变形。如使白口铸铁中的脆性渗碳体都发生了弯折（见右图） 。,白口铸铁表面层的塑性变形,36,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,4. 当亚表层的塑性变形继续发展，在离表面一定深度的位置将萌生裂纹。裂纹源常出现在第二相质点与基体金属的界面，当界面的应力超过其结合强度时，就会引起开裂。,裂纹在亚表层内萌生,5. 塑性变形进一步发展，裂纹发生扩展。按照上述裂纹萌生的分析可知，在硬质点周围产生裂纹的过程只占很短的时间，而裂纹的扩展阶段
15、往往是材料磨损速率的控制因素。,37,3.4.3 疲劳磨损的基本原理,6. 当裂纹最后折向表面(发生剪切)，裂纹上的材料将变成薄片状的磨屑剥落下来。磨屑的厚度（微米量级）决定于载荷状态及材料性能。故有“剥层” 之称。,即将剥落和已经剥落的薄片状磨屑,38,3.4 疲劳磨损,3.4.1 疲劳磨损的实质 3.4.2 疲劳磨损与整体疲劳的区别 3.4.3 疲劳磨损的基本原理 3.4.4 疲劳磨损的影响因素,39,3.4.4 疲劳磨损的影响因素,(1)材料组织性能的影响 纯度 减少夹杂物 减少气孔和缺陷 组织特征 形成有利于减摩耐磨的组织,Why？,For example,40,3.4.4 疲劳磨损的影响因素,残余奥氏体增加可增大接触面积，使接触应力下降。 发生形变强化和应变诱发马氏体相变。 提高表面残余压应力阻碍疲劳裂纹的萌生与扩展。,问题：试从摩擦学角度，解释奥氏体量决定疲劳极限的原因？,41,3.4.4 疲劳磨损的影响因素,(2)材料硬度的影响 材料硬度对疲劳磨损有重要影响。在疲劳磨损中，裂纹的产生是关键。材料硬度越高，裂纹越难以形成，疲劳寿命越长。这里所指硬度主要是加工硬化的硬度。 因为在滚动或滑动接触过程中
