接觸疲勞學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1接觸接觸(jich)疲勞疲勞第一頁，共23頁。接觸接觸(jich)疲疲勞勞一、接觸疲勞一、接觸疲勞(plo)現(xiàn)象與接觸應(yīng)現(xiàn)象與接觸應(yīng)力力二、接觸二、接觸(jich)疲勞破壞疲勞破壞機(jī)理機(jī)理三、接觸疲勞試驗(yàn)方法三、接觸疲勞試驗(yàn)方法四、影響接觸疲勞壽命的因素四、影響接觸疲勞壽命的因素第1頁/共22頁第二頁，共23頁。一、接觸一、接觸(jich)疲勞現(xiàn)象與接觸疲勞現(xiàn)象與接觸(jich)應(yīng)力應(yīng)力1. 接觸疲勞現(xiàn)象接觸疲勞現(xiàn)象 機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在 交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損 傷

2、，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬(jnsh)剝落而使剝落而使 物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。 接觸疲勞的宏觀形接觸疲勞的宏觀形 態(tài)存征是在接觸表面上態(tài)存征是在接觸表面上 出現(xiàn)許多小針狀或痘狀出現(xiàn)許多小針狀或痘狀 凹坑，有時(shí)凹坑很深，凹坑，有時(shí)凹坑很深， 呈貝殼狀，有疲勞裂呈貝殼狀，有疲勞裂 紋發(fā)展線的痕跡，如圖紋發(fā)展線的痕跡，如圖 1圖 1:接觸(jich)疲勞表面形貌第2頁/共22頁第三頁，共23頁。根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的不同，金屬接觸疲根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的不同，金屬接觸疲勞破壞分為

3、麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落和深層剝勞破壞分為麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落和深層剝落三類。落三類。麻點(diǎn)剝落：深度在麻點(diǎn)剝落：深度在0.10.2mm以下的小塊剝落，呈以下的小塊剝落，呈針狀或豆?fàn)畎伎?，截面呈不對稱針狀或豆?fàn)畎伎?，截面呈不對稱V型。型。淺層剝落：深度在淺層剝落：深度在0.20.4mm，剝落底部大致，剝落底部大致(dzh)和表和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角和垂直。面平行，裂紋走向與表面呈銳角和垂直。深層剝落：深度和硬化層深度相當(dāng)，裂紋走向和表深層剝落：深度和硬化層深度相當(dāng)，裂紋走向和表面垂直。面垂直。第3頁/共22頁第四頁，共23頁。 圖2為齒輪(chln)節(jié)圓附近齒面的麻點(diǎn)剝落，圖3

4、為表面淬火齒輪(chln)深層剝落的宏觀形貌。圖2 中等硬度齒輪(chln)小的麻點(diǎn)圖3 表面淬火齒輪(chln)沿過渡區(qū)深層剝落第4頁/共22頁第五頁，共23頁。勞破壞與表面層塑性變形有關(guān)，勞破壞與表面層塑性變形有關(guān)，因而表層因而表層(biocng)塑性變形的塑性變形的深度決定麻點(diǎn)剝落的深度，而深度決定麻點(diǎn)剝落的深度，而塑性變形進(jìn)行的劇烈程度則決塑性變形進(jìn)行的劇烈程度則決定麻點(diǎn)剝落擴(kuò)展速度。定麻點(diǎn)剝落擴(kuò)展速度。n齒輪、軸承、鋼軌與輪箍的表齒輪、軸承、鋼軌與輪箍的表面經(jīng)常出現(xiàn)接觸疲勞破壞。少面經(jīng)常出現(xiàn)接觸疲勞破壞。少量麻點(diǎn)剝落不影響機(jī)件的正常量麻點(diǎn)剝落不影響機(jī)件的正常工作，但隨著時(shí)間的延長，麻

5、工作，但隨著時(shí)間的延長，麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，數(shù)量增多，機(jī)件點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，數(shù)量增多，機(jī)件表面受到大面積損壞，結(jié)果無表面受到大面積損壞，結(jié)果無法繼續(xù)工作而失效。法繼續(xù)工作而失效。第5頁/共22頁第六頁，共23頁。2. 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 接觸疲勞是在接觸壓應(yīng)力接觸疲勞是在接觸壓應(yīng)力(yngl)長期作用下的結(jié)長期作用下的結(jié)果。果。 兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力壓入應(yīng)力(yngl)稱為接觸應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力(yngl)，也叫赫茲應(yīng)，也叫赫茲應(yīng)力力(yngl)。 受接觸應(yīng)力受接觸應(yīng)力(yngl)作用的作用的機(jī)件，按接觸面初始幾機(jī)件，按接觸面初始幾何條件不同，可分為

6、線何條件不同，可分為線接觸與點(diǎn)接觸兩類，前接觸與點(diǎn)接觸兩類，前者如齒輪的接觸，后者者如齒輪的接觸，后者如滾珠軸承的接觸。如滾珠軸承的接觸。圖4兩圓柱體滾動(dòng)接觸(jich)時(shí)的應(yīng)力狀況和應(yīng)力分布第6頁/共22頁第七頁，共23頁。滾動(dòng)接觸時(shí)，不論兩接觸物體是球體的點(diǎn)接觸還是滾動(dòng)接觸時(shí)，不論兩接觸物體是球體的點(diǎn)接觸還是(hi shi)圓柱體的線接觸，接觸面均為橢圓、最大壓應(yīng)力都圓柱體的線接觸，接觸面均為橢圓、最大壓應(yīng)力都發(fā)生在表面上，而最大剪應(yīng)力發(fā)生在表面上，而最大剪應(yīng)力max發(fā)生在離表面一發(fā)生在離表面一定距離定距離Z=0.786b處處, 其中其中b為接觸圓半徑。為接觸圓半徑。 因滾動(dòng)接觸應(yīng)力為交變

7、(jio bin)應(yīng)力，因而對接觸面上某一位置，其亞表層受0max重復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用，應(yīng)力半幅為0.5max，即為(0.150.16) max。 在交變剪應(yīng)力的影響下，裂紋容易在最大剪應(yīng)力處成核，并擴(kuò)展(kuzhn)到表面而產(chǎn)生剝落，在零件表面形成針狀或豆?fàn)畎伎樱斐善谀p。第7頁/共22頁第八頁，共23頁。二、接觸二、接觸(jich)疲勞破壞疲勞破壞機(jī)理機(jī)理1. 麻點(diǎn)麻點(diǎn)(m din)剝落剝落2. 淺層剝落淺層剝落(blu)3. 深層剝落深層剝落第8頁/共22頁第九頁，共23頁。1. 麻點(diǎn)麻點(diǎn)(m din)剝落剝落 麻點(diǎn)剝落的形成過程如圖5所示。實(shí)踐表明，表面接觸應(yīng)力較小，摩擦力較大、或表面

8、質(zhì)量較差（如表面有脫碳、 燒傷、淬火不足、夾雜物等）時(shí)，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。前者是因?yàn)楸砻孀畲缶C合(zngh)切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較低所致。機(jī)理：機(jī)理： 在滾動(dòng)接觸過程中，由于表面最大綜合切應(yīng)在滾動(dòng)接觸過程中，由于表面最大綜合切應(yīng)力反復(fù)作用在表層局部區(qū)域，若材料的抗剪屈服強(qiáng)力反復(fù)作用在表層局部區(qū)域，若材料的抗剪屈服強(qiáng)度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)還伴有形度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)還伴有形變強(qiáng)化。由于損傷變強(qiáng)化。由于損傷(snshng)逐步累積，直到表面最逐步累積，直到表面最大綜合切大綜合切應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就在表層形成裂紋。應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就在表層形成

9、裂紋。第9頁/共22頁第十頁，共23頁。 圖5 麻點(diǎn)剝落(blu)形成過程示意圖a ) 初始裂紋形成 b) 初始裂紋擴(kuò)展 c) 二次裂紋形成 d) 二次裂紋擴(kuò)展 e) 形成磨屑 f) 鋸齒形表面第10頁/共22頁第十一頁，共23頁。2. 淺層剝落淺層剝落(blu) 淺層剝落裂紋淺層剝落裂紋(li wn)產(chǎn)生于亞表產(chǎn)生于亞表 層，層， 如圖如圖6a。 淺層剝落多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗淺層剝落多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗 糙度低，相對滑動(dòng)小，即摩擦糙度低，相對滑動(dòng)小，即摩擦力小的場合。剝落層深度一般力小的場合。剝落層深度一般 約約0.20.4mm，它和最大應(yīng)力，它和最大應(yīng)力max所在深度所在深度6b相當(dāng)，其相當(dāng)，

10、其底部大致和表面平行，而其側(cè)底部大致和表面平行，而其側(cè) 0，另一面的一側(cè)與表面約成，另一面的一側(cè)與表面約成45側(cè)垂直于表面。側(cè)垂直于表面。 圖6 淺層剝落過程(guchng)示意圖a) 在0.5b 處形成交變塑性變形 區(qū)b)形成裂紋 c) 裂紋擴(kuò)展剝落第11頁/共22頁第十二頁，共23頁。3. 深層剝落深層剝落(blu) 深層剝落裂紋產(chǎn)生如圖7。 其疲勞(plo)磨損裂紋往往起源于硬 化層與心部的交界處。裂紋形 成后，先平行表面擴(kuò)展，即沿 過渡區(qū)擴(kuò)展，而后垂直于表面 擴(kuò)展，最后形成較深的剝落坑。 表面硬化機(jī)件心部強(qiáng)度太低，硬化層深不合理，梯度太陡或過渡區(qū)存在不利的應(yīng)力分布都易造成深層剝落。圖7

11、 深層剝落過程示意圖（a)在過渡(gud)區(qū)產(chǎn)生塑性變形 (b)在過渡(gud)區(qū)產(chǎn)生裂紋 c) 形成大塊剝落第12頁/共22頁第十三頁，共23頁。三、接觸疲勞三、接觸疲勞(plo)試驗(yàn)試驗(yàn)方法方法 接觸疲勞試驗(yàn)是在接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)機(jī)有純滾動(dòng)和滾動(dòng)帶滑動(dòng)(hudng)兩類。 圖8是應(yīng)用較廣的JPM1型滾子式試驗(yàn)機(jī)原理圖。該種試驗(yàn)機(jī)可以做純滾動(dòng)或滾動(dòng)帶滑動(dòng)(hudng)的試驗(yàn)。圖8 JPM-1型試驗(yàn)機(jī)原理圖第13頁/共22頁第十四頁，共23頁。四、影響接觸疲勞(plo)壽命的因素（一）內(nèi)部（一）內(nèi)部(nib)因素因素1. 非金屬夾雜物非金屬夾雜物2. 熱處理組織狀態(tài)熱處理組織狀態(tài)3.

12、 表面硬度表面硬度(yngd)與心與心部硬度部硬度(yngd)4. 表面硬化層深度表面硬化層深度5. 殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力（二）外部因素（二）外部因素第14頁/共22頁第十五頁，共23頁。1. 非金屬夾雜非金屬夾雜(jiz)物物 鋼在冶煉時(shí)總存在有非金屬夾雜物等冶金缺鋼在冶煉時(shí)總存在有非金屬夾雜物等冶金缺陷，對機(jī)件（尤其是對軸承）的接觸陷，對機(jī)件（尤其是對軸承）的接觸(jich)疲勞壽命影響疲勞壽命影響很大。軸承鋼星的非金屬夾雜物有塑性的（如硫化很大。軸承鋼星的非金屬夾雜物有塑性的（如硫化物）、脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氮化物等）和物）、脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氮化物等）和球狀的（如硅鈣酸鹽

13、、鐵銹酸鹽）三類，其中以脆球狀的（如硅鈣酸鹽、鐵銹酸鹽）三類，其中以脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物對接觸性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物對接觸(jich)疲勞疲勞壽命危害最大。由于他們和機(jī)體交界處的彈塑性變形不協(xié)調(diào)壽命危害最大。由于他們和機(jī)體交界處的彈塑性變形不協(xié)調(diào)，引起應(yīng)力集中，故在脆性夾雜物的邊緣部分最易造成微裂，引起應(yīng)力集中，故在脆性夾雜物的邊緣部分最易造成微裂紋，降低疲勞壽命。而塑性的硫化物夾雜易隨機(jī)體一起塑性紋，降低疲勞壽命。而塑性的硫化物夾雜易隨機(jī)體一起塑性變形，當(dāng)硫化物夾雜把氧化物夾雜抱住形成共生夾雜物時(shí)，變形，當(dāng)硫化物夾雜把氧化物夾雜抱住形成共生夾雜物時(shí)，可以降低氧化物

14、夾雜物的不良作用?？梢越档脱趸飱A雜物的不良作用。第15頁/共22頁第十六頁，共23頁。第16頁/共22頁第十七頁，共23頁。2. 熱處理組織熱處理組織(zzh)狀態(tài)狀態(tài) 馬氏體含碳量對于軸承鋼而言，在未馬氏體含碳量對于軸承鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)馬氏體含碳量在溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)馬氏體含碳量在0.4%0.5%左右時(shí)，接觸疲勞壽命最高。左右時(shí)，接觸疲勞壽命最高。 馬氏體和殘余奧氏體的級別對于軸承馬氏體和殘余奧氏體的級別對于軸承鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)馬鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)馬氏體含碳量在氏體含碳量在 0.4%0.5% 左右時(shí)，接觸疲勞壽

15、左右時(shí)，接觸疲勞壽命最高。命最高。 末溶碳化物和帶狀碳化物對于馬氏體末溶碳化物和帶狀碳化物對于馬氏體含碳為含碳為0.5%的高碳軸承鋼，末溶碳化物顆粒愈粗的高碳軸承鋼，末溶碳化物顆粒愈粗大，則其相鄰馬氏體邊界大，則其相鄰馬氏體邊界(binji)處的含碳量就愈高，處的含碳量就愈高，該該處也就愈易形成接觸疲勞裂紋，故壽命較低。處也就愈易形成接觸疲勞裂紋，故壽命較低。第17頁/共22頁第十八頁，共23頁。3. 表面表面(biomin)硬度硬度與心部硬度與心部硬度 在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞抗力(kn l)隨硬度升高而增大，但并不保持正比關(guān)系。軸承鋼表面硬度為62HRC時(shí)，其平均使用壽命最高（圖9）。齒

16、輪齒輪(chln)心部硬度以心部硬度以3540為宜。為宜。圖9 軸承的表面硬度與平均壽命關(guān)系第18頁/共22頁第十九頁，共23頁。4. 表面(biomin)硬化層深度 為防止表層產(chǎn)生早期麻點(diǎn)或深層剝落，滲碳(shn tn)的齒輪需要有一定硬化層深度。最佳硬化層深度 t 推薦值為：t = m(15 20 100) ；或或 t3.15b式中 m模數(shù)； b接觸面半寬。第19頁/共22頁第二十頁，共23頁。5. 殘余(cny)內(nèi)應(yīng)力 在滲碳層的一定范圍內(nèi)，存在有利的殘余壓應(yīng)力，可以提高(t go)接觸疲勞壽命。第20頁/共22頁第二十一頁，共23頁。(二二)外部外部(wib)因素因素1. 表面粗糙度與

17、接觸(jich)精度 減少表面冷、熱加工缺陷，降低表面粗糙度，減少表面冷、熱加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效地增加接觸疲勞壽命。接提高接觸精度，可以有效地增加接觸疲勞壽命。接觸應(yīng)力大小觸應(yīng)力大小(dxio)不同，對表面粗糙度要求也不同不同，對表面粗糙度要求也不同。接觸。接觸應(yīng)力低時(shí)，表面粗糙度對接觸疲勞壽命影響較大應(yīng)力低時(shí)，表面粗糙度對接觸疲勞壽命影響較大;接接觸應(yīng)力高時(shí)，表面粗糙度影響較小。觸應(yīng)力高時(shí)，表面粗糙度影響較小。2. 硬度匹配硬度匹配 兩個(gè)接觸滾動(dòng)體的硬度匹配恰當(dāng)與否，直接影兩個(gè)接觸滾動(dòng)體的硬度匹配恰當(dāng)與否，直接影響接觸疲勞壽命。實(shí)踐表明，響接觸疲勞壽命。實(shí)踐表明，2Q400型減速器小型減速器小齒輪與大齒輪的硬度比保持齒輪與大齒輪的硬度比保持1.41.7的匹配關(guān)系，的匹配關(guān)系，可使承載能力