第7章疲劳磨损.docx

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第7章疲劳磨损

疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、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

裂纹类型

裂纹源

裂纹的扩展

整体疲劳

表面

与外加应力成45。

角，超过两三个晶粒后，转向与应力垂直

疲劳磨损

表面或亚表层

与表面成10°〜30°角或

平行于表面

（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，t=警

bmax

（3）作用过程的差别

＞整体疲劳一般只受循环应力的作用；

A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

A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。

3•疲劳磨损的种类

（1）表层萌生与表面萌生疲劳磨损

1:

1

萌间扩度

断口光滑

平行于表面扩展，后分叉延伸到表面

萌表力源纹在应中裂生层集

动主摩副

滚为的擦

表层萌生

耐比融快萌间扩度

断口粗糙

与滑动方向

成20°〜40°

角向表层扩

展，后分叉

萌表力源纹衽必中裂生面集

动主摩副

滑为的擦

liefIS高量材

表面萌生

鳞剥

片状

凹坑浅而面积大

点蚀

扇形

凹坑深而面积小

退火钢和调质钢

点蚀

渗碳钢和淬火钢

鳞剥

（2）鳞剥（spalling）与点蚀（pitting）磨损

点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形疲劳坑；

鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面

平行向两端扩展，最后在两端断裂。

成鳞剥磨损是否有根据?

还没有足够的根据

/

・表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形

有人曾对冷激铸铁挺杆上106条点蚀裂纹进行了统计分析，结果表明，大约80%的裂纹是从表面起源的，从亚表层内部萌生的只占20%o

大量的研究证明，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，以及润滑状态与润滑剂

等一系列因素有密切关系。

二、疲劳磨损的机理

1.疲劳裂纹诱发点蚀理论

发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑;

由S・Way于1935年提出:

A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

Q、——«

特殊结构层形成

表面层失穗而隆起

A

r

3・最大剪应力理论

（1）Hertz接触理论

裂纹主要发生在厂处

距表面的位置

滚动点接触：

Vpr

滚动线接触：

JPR

（2）位错理论

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。

2

T>——

P

1:

1

裂纹产生的判据

[T—临界剪应力

Y—表面能+裂纹扩展到邻近晶粒的塑性变形功

E—弹性模量

D—平均晶粒直径

P—决定于正应力三向性的

V常数

三、

影响疲劳磨损的因素

1.载荷性质的影响

（1）苏联科学家的试验

（T

950Mpa

850Mpa

11iVxlO4

-11

1012

85095010501150

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

1=

III

附加拉伸弯曲应力

显著地缩短接触疲劳杯而压缩弯曲应

O

10

40

力的影响取决于它的

20

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

10

0L

2

10

20

最大接触应力:

2954Mpa

附加弯岛应力:

•—106Mpa

+一0

O38Mpa

—10IMpa

50x10

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。

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.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

通常增加材料硬度可

以提高抗疲劳磨损能力,

M劳寿命

成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。

硬度

但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低接触疲劳寿命。

3・表面粗糙度的影响

起源，因此，提高表面光洁度有

利于延长疲劳磨损轴。

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

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。

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膜增厚，从而减轻粗糙峰的互相作用；

＞润滑油中带有水

＞表面吸附了氢原

在较低应力下扩

不能解释某些无油滚动时不出现接触疲劳，而加入润滑油后迅速发生接触疲劳磨损的现象。

丿

性物质的堆积,

|玳护7U劝ZmJKupp

:

酸

＞在高温下润滑油

精品课件

V

1•

•r

精品课件

V

1•

•r

A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。

接触疲劳磨损机理可以归纳如下:

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。