第五章 疲勞磨損

1、第五章 疲勞磨損目目錄錄5.4 典型零件的失效特征與分析典型零件的失效特征與分析5.2 5.2 疲勞磨損疲勞磨損基本原理及影響因素基本原理及影響因素 5.3 疲勞磨損的疲勞磨損的試驗(yàn)研究方法試驗(yàn)研究方法5.1 5.1 疲勞磨損概述疲勞磨損概述5.55.5防止疲勞磨損的表面處理技術(shù)5.1 概述概述定義 疲勞磨損也叫接觸疲勞，是指當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，表面層將引發(fā)裂紋，并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程。 疲勞磨損一般都經(jīng)歷裂紋的萌生、擴(kuò)展、斷裂三個(gè)過(guò)程，可以說(shuō)是材料疲勞斷裂的一種特殊形式。 早期的磨損分類，沒(méi)有把這種接

2、觸疲勞劃入磨損的范疇。后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，不僅在滾動(dòng)接觸，而且在滑動(dòng)接觸及其它磨損形式中，也都發(fā)現(xiàn)了表面接觸疲勞過(guò)程，因此，接觸疲勞完全可以被認(rèn)為是一種獨(dú)立的，而且是相當(dāng)普遍的磨損形式。2.疲勞磨損與整體疲勞之間的區(qū)別（1）裂紋源和裂紋擴(kuò)展途徑不同與表面成1030角或平行于表面表面或亞表層（2）疲勞極限的差別 整體疲勞存在明顯的疲勞極限； 疲勞磨損尚未發(fā)現(xiàn)疲勞極限，9max 常常數(shù)數(shù) t（3）作用過(guò)程的差別 整體疲勞一般只受循環(huán)應(yīng)力的作用； 疲勞磨損除循環(huán)應(yīng)力作用外，摩擦過(guò)程可以引起表面層一系列的物理化學(xué)變化。（4）應(yīng)力計(jì)算上的差別 疲勞磨損的應(yīng)力計(jì)算受材料的均勻性、表面特征、載荷分布、油膜情況、

3、切向力大小等的影響。 綜上所述，為了深入了解疲勞磨損的機(jī)理和規(guī)律，必須對(duì)一些主要的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，包括接觸應(yīng)力的計(jì)算、各種工作條件的影響、材料組織結(jié)構(gòu)性能參數(shù)及表面特征的影響、疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展規(guī)律、材料接觸引起的表面層變化及其影響等等。 整體疲勞整體疲勞 疲勞磨損疲勞磨損 5.2 5.2 基本原理及影響因素基本原理及影響因素1.基本原理 在疲勞磨損的初期階段是微裂紋的形成階段，無(wú)論有無(wú)潤(rùn)滑油存在，循環(huán)應(yīng)力起著主要作用。裂紋萌生在表面或表層，但很快擴(kuò)展到表面，此后，潤(rùn)滑油的粘度對(duì)于裂紋擴(kuò)展起重要影響。 （1）點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕裂紋一般都從表面開(kāi)始，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展，最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材

4、料折斷脫落下來(lái)即形成點(diǎn)蝕。單個(gè)點(diǎn)蝕坑的表面形貌常表現(xiàn)為“扇形”。點(diǎn)蝕實(shí)物圖點(diǎn)蝕實(shí)物圖 疲勞點(diǎn)蝕誘發(fā)機(jī)理：疲勞裂紋擴(kuò)展成點(diǎn)蝕理論、摩擦溫度誘發(fā)點(diǎn)蝕理論以及最大剪應(yīng)力理論。1）疲勞裂紋擴(kuò)展成點(diǎn)蝕理論由SWay于1935年提出：發(fā)生點(diǎn)蝕的必要條件是摩擦副之間有油潤(rùn)滑；潤(rùn)滑油粘度高于某一定值，點(diǎn)蝕將不會(huì)發(fā)生；光滑的接觸表面不易發(fā)生點(diǎn)蝕；熱處理?xiàng)l件對(duì)于點(diǎn)蝕有顯著的影響。根據(jù)裂紋的擴(kuò)展方向分為兩種情況：（1 1）裂紋開(kāi)口迎向接觸點(diǎn)）裂紋開(kāi)口迎向接觸點(diǎn)（2 2）裂紋開(kāi)口背離接觸點(diǎn)）裂紋開(kāi)口背離接觸點(diǎn)在這種情況下，由于接觸壓力產(chǎn)生的高壓波會(huì)以極高的速度進(jìn)入裂紋，對(duì)裂紋壁產(chǎn)生強(qiáng)大的液體沖擊，同時(shí)配對(duì)的接觸表面又

5、可能將裂紋口封閉，使裂紋內(nèi)的油壓進(jìn)一步增高，從而使裂紋向縱深擴(kuò)展。裂紋的縫隙越大，作用在裂紋壁上的壓力也越大。另一種情況是裂紋方向背離接觸點(diǎn)(見(jiàn)右圖)。這時(shí)當(dāng)裂紋開(kāi)口逐漸進(jìn)入接觸區(qū)，由于開(kāi)口沒(méi)有被封閉，潤(rùn)滑油被擠出，因此這種裂紋不會(huì)擴(kuò)展，也不會(huì)發(fā)展成為點(diǎn)蝕。 2 2）摩擦溫度誘發(fā)點(diǎn)蝕理論）摩擦溫度誘發(fā)點(diǎn)蝕理論 摩擦溫度引發(fā)點(diǎn)蝕形成過(guò)程的框圖摩擦溫度引發(fā)點(diǎn)蝕形成過(guò)程的框圖 認(rèn)為當(dāng)兩圓柱體互相接觸時(shí)，由于表面粗糙不平使得局部實(shí)際接觸區(qū)的壓力很大表面層將發(fā)生塑性變形，因此接觸區(qū)處于瞬時(shí)高溫狀態(tài)。在這種溫度變化和高壓作用下，接觸區(qū)的金屬組織將逐漸發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生局部的內(nèi)應(yīng)力，使得表面層的金屬組織結(jié)構(gòu)

6、變得與基體金屬顯著不同，并使它加長(zhǎng)和居寬，在表面層引起很大的壓應(yīng)力。當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)，此表面層便會(huì)喪失穩(wěn)定性而隆起。但這種隆起現(xiàn)象只有在材料具有絕對(duì)均一性的條件下才能實(shí)現(xiàn)而實(shí)際的材料往往是不均勻的，結(jié)果在表面層便可能出現(xiàn)裂紋或剪斷，然后再受到潤(rùn)滑泊的作用便成為點(diǎn)蝕。3）最大剪應(yīng)力理論 前述兩種理論限于當(dāng)時(shí)的條件，都缺乏深入的力學(xué)及微觀組織結(jié)構(gòu)的分析，也缺少充分的試驗(yàn)證明，因此只能認(rèn)為是一種假說(shuō)。近些年來(lái)逐漸形成了一種新的比較深入的理論。認(rèn)為點(diǎn)蝕裂紋主要發(fā)生在接觸表面下的最大剪應(yīng)力處，如右圖所示，這種理論可以用錯(cuò)位理論來(lái)解釋。 剪應(yīng)力方向和大小反復(fù)發(fā)生變化，在亞表層內(nèi)將產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)的互

7、相切割產(chǎn)生空穴，空穴的集中形成空洞，最后發(fā)展成裂紋。裂紋產(chǎn)生的判據(jù)： 21)(2DE 臨界剪應(yīng)力表面能裂紋擴(kuò)展到鄰近晶粒的塑性變形功彈性模量平均晶粒直徑?jīng)Q定于正應(yīng)力三向性的常數(shù) ED （2）剝落 剝落與點(diǎn)蝕，就其本質(zhì)來(lái)講是相同的，都屬于接觸疲勞失效的形式，但其特征有所區(qū)別。剝落裂紋一般起源于亞表層內(nèi)部軟深的層次(如可達(dá)到幾百個(gè)微米)，沿與表面平行方向擴(kuò)展，最后形成片狀的剝落坑。 一般認(rèn)為，剝落裂紋是由亞表層的循環(huán)切應(yīng)力引起的，所以在解釋剝落產(chǎn)生的原因時(shí)，首先要考慮最大切應(yīng)力 或正交切應(yīng)力 的大小，前者是脈動(dòng)的，后者是交變的。同時(shí)也要考慮亞表層內(nèi)材料性能的變化。在一般情況下，由于加工硬化的2原因

8、，亞表層內(nèi)的硬度會(huì)超過(guò)基體，而且越靠近表面硬度越高。假定材料的屈服強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度是與硬度成正比的，則將切應(yīng)力與硬度值HV的比值，或者將其比值的幅值HVA2作為衡量剝落裂紋產(chǎn)生的控制參量。剝落實(shí)物圖剝落實(shí)物圖載荷性質(zhì)的影響1 1材料性能的影響2 2表面粗糙度的影響3 3潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑的影響4 45 5環(huán)境的影響2.影響疲勞磨損的因素2.1 載荷性質(zhì)的影響（1）蘇聯(lián)科學(xué)家的試驗(yàn) 短期的高峰載荷周期性地附加在基本載荷上，不僅不降低反而提高了接觸疲勞壽命。只有當(dāng)高峰載荷作用時(shí)間接近循環(huán)周期時(shí)間一半時(shí)，高峰載荷才開(kāi)始降低接觸疲勞壽命。（2）溫詩(shī)鑄教授的試驗(yàn) 施加拉伸彎曲應(yīng)力顯著地縮短接觸疲勞壽命，而壓縮彎

9、曲應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響取決于壓縮彎曲應(yīng)力的數(shù)值大小。較小的附加壓縮應(yīng)力能夠增加疲勞壽命，而大的壓縮彎曲應(yīng)力將降低疲勞壽命。 另外，少量的滑動(dòng)將顯著地降低接觸疲勞磨損壽命，因?yàn)?，摩擦力作用使最大切?yīng)力位置趨于表面，增加了裂紋萌生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉應(yīng)力促使裂紋擴(kuò)展加速。 應(yīng)力循環(huán)速度越大，表面積聚熱量和溫度就越高，使金屬軟化而降低機(jī)械性能，因而加速表面的疲勞磨損。2.2 材料性能的影響 鋼材中的非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在循環(huán)應(yīng)力作用下與基體材料脫離形成空穴，構(gòu)成應(yīng)力集中源，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。 通常增加材料硬度可以提高抗疲勞磨損能力，但硬度過(guò)高，材料脆性增加，反而會(huì)降

10、低接觸疲勞壽命。（1）材料組織性能的影響 但從總的趨勢(shì)是認(rèn)為，增加殘余奧氏體量可以增大接觸曲積，使接觸應(yīng)力下降，會(huì)發(fā)生形變強(qiáng)化和應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相交，提高表面殘余壓力，阻礙疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。因此其含量越高，疲勞壽命也越長(zhǎng)。 具 有 同 一 硬 度 水 平HRC3436的4340鋼，具有不同的顯微組織，一種是回火珠光體，滲碳呈顆粒狀；另一種是正火組織，滲碳呈細(xì)片狀。兩組試樣在1.1m/s的滑動(dòng)速度下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明：后者的后者的擦傷殘荷約為前者的3倍。2.3 表面粗糙度的影響 粗糙度值越大，疲勞壽命越短。 因?yàn)閷?shí)際加工表面的微凸體接觸，使橢圓分布的應(yīng)力場(chǎng)變成了很多分散的微觀應(yīng)力場(chǎng)，從而引發(fā)了

11、很多微觀點(diǎn)蝕。微觀點(diǎn)蝕的出現(xiàn)往往構(gòu)成了宏觀點(diǎn)蝕裂紋的起源，因此，提高表面光潔度有利于延長(zhǎng)疲勞磨損壽命。 2.4 潤(rùn)滑與潤(rùn)滑劑的影響 實(shí)驗(yàn)表明：增加潤(rùn)滑油的粘度將提高抗接觸疲勞能力。下面是粘度影響疲勞磨損機(jī)理的不同觀點(diǎn)： 增加潤(rùn)滑劑粘度使彈流油膜增厚，從而減輕粗糙峰的互相作用； 潤(rùn)滑油中帶有水分，加速疲勞裂紋的擴(kuò)展； 表面吸附了氫原子，可以降低表面能，使裂紋在較低應(yīng)力下擴(kuò)展； 在高溫下潤(rùn)滑油的分解，會(huì)在高應(yīng)力區(qū)造成酸性物質(zhì)的堆積，降低接觸疲勞壽命。 在相同溫度和相同粘度下，使用合成油的接觸疲勞壽命高于使用天然油的，因?yàn)楹铣捎偷恼硥合禂?shù)值較大，因而油膜厚度較大。說(shuō)明油膜厚度對(duì)阻止裂紋形成具有一定的

12、影響。 在疲勞磨損的初期階段是微裂紋的形成階段，無(wú)論有無(wú)潤(rùn)滑油存在，循環(huán)應(yīng)力起著主要作用。裂紋萌生在表面或表層，但很快擴(kuò)展到表面，此后，潤(rùn)滑油的粘度對(duì)于裂紋擴(kuò)展起重要影響。 2.5 環(huán)境的影響 環(huán)境對(duì)于金屬疲勞有很大的影響，同樣地對(duì)疲勞磨損也有重要作用。因?yàn)槠谀p只限于表面層，表面積/(承受應(yīng)力的體積)比值比一般整體疲勞要大得多。因此環(huán)境的因素在這種情況下具有更大的影響。 例如在潤(rùn)滑油中有水分，將加速軸承鋼的接觸疲勞失效，甚至很少量的溶解水分都是很有害的，而且油中帶水將使油膜厚度變小。5 5.3 .3 疲勞磨損的疲勞磨損的試驗(yàn)研究方法試驗(yàn)研究方法ZYS-5型雙面對(duì)滾式我國(guó)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)ZYS

13、-7型錐體式JPM-1型JP-BD1500型滾子式TLP型推力片式 下面就以應(yīng)用最廣的JPMl型滾子試驗(yàn)機(jī)為例介紹一下接觸疲勞的試驗(yàn)方法。JPMl型接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)的原理如圖738所示： 試驗(yàn)機(jī)的最大工作負(fù)荷為19600N。在表7.2所列范圍內(nèi)允許連續(xù)工作。試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)共分為傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)四個(gè)部分。1傳動(dòng)系統(tǒng) 由主電機(jī)4通過(guò)皮帶輪3、6經(jīng)軸7，聯(lián)軸古14韋軸15帶動(dòng)下試件27旋轉(zhuǎn)。另外通過(guò)軸7上齒輪8經(jīng)軸13到軸12再經(jīng)聯(lián)軸節(jié)16到軸18帶動(dòng)上試件24旋轉(zhuǎn)。通過(guò)改變掛輪21、22得列各種滑差。將控輪取掉相對(duì)滑差為零，可作純滾動(dòng)試驗(yàn)。2加裁系統(tǒng) 加載的負(fù)荷是通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

14、的。加載時(shí)，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪32，經(jīng)鏈輪31、41渦輪40，絲扛42，使托盤37與砝碼脫開(kāi)。于是砝碼通過(guò)吊桿33，二級(jí)杠桿30，一級(jí)杠桿29及螺桿25傳至搖擺頭，經(jīng)主軸19對(duì)試祥施加載荷。順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪32，使絲杠42向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)托盤把砝碼托起，即可實(shí)現(xiàn)卸載。3潤(rùn)滑系統(tǒng) 試件潤(rùn)滑是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪油泵，經(jīng)濾油器進(jìn)入控制閥，控制闊上有二支油路，一支回到油箱，另一支通過(guò)試件。軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)分為三個(gè)支路，二支分別潤(rùn)滑I軸兩端的軸承，一文用于潤(rùn)滑掛輪。 4電氣系統(tǒng) 交流控制部分，主要控制主軸電機(jī)和各套潤(rùn)滑系統(tǒng)的電機(jī)。自動(dòng)控制部分包括自動(dòng)停車、自動(dòng)計(jì)數(shù)、光電轉(zhuǎn)換、計(jì)時(shí)、穩(wěn)壓電源等。 (二)疲勞裂紋

15、的觀察及裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)定 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以建立兩個(gè)表示裂紋擴(kuò)展情況的參數(shù)：裂紋嚴(yán)重程度參數(shù) 及裂紋擴(kuò)展速率R。5.4 典型零件的失效特征與分析典型零件的失效特征與分析 凸輪挺桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中一對(duì)主要的摩擦副由于工作條件比較苛刻，在接觸區(qū)域經(jīng)常處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)持別是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率逐漸增加的趨勢(shì)，它的磨損就成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題。凸輪挺桿的主要磨損失效形式是點(diǎn)蝕和擦傷，均屬于疲勞磨損機(jī)制，因州這對(duì)摩擦副十分典型。 凸輪挺桿的材料是冷激鑄鐵，因?yàn)樗哂歇?dú)持的組織結(jié)構(gòu)，非常良好的抗磨損性能，而且成本低廉。(一) 凸輪點(diǎn)蝕的失效分析 冷激鑄鐵的金相組織屑于亞共晶型，包括初生的珠光體和共晶的萊氏體。

16、由于表面激冷，珠光體與滲碳體生長(zhǎng)為較發(fā)展的柱狀晶。這種材料的凸輪產(chǎn)生點(diǎn)蝕的特征有兩種基本類型。 1在正交剪應(yīng)力作用下，裂紋從次表面萌生，水平擴(kuò)展。 由于每一條滲碳體都被塑性較好的珠光體包圍，在接觸應(yīng)力作用下，滲碳體的受力狀態(tài)接近于三向壓應(yīng)力，因此塑性提高隨著循環(huán)次數(shù)的增加表面層組織發(fā)生明顯的塑性漸變（圖7.46）。 強(qiáng)烈的塑性變形必然造成位錯(cuò)密度大量增加,在珠光體與滲碳體的界面處位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻而形成塞積，當(dāng)塞積群頂端的應(yīng)力超過(guò)滲碳體的解理斷裂應(yīng)力時(shí)，就將在表面層受正交剪應(yīng)力昂大的區(qū)域引發(fā)出裂紋，這種裂紋有時(shí)在一條滲碳體上可以出現(xiàn)45處之多(圖7.47)。 真正能擴(kuò)展成剝落裂紋的位置，并不在靠近表

17、面的地方，而是在表面下一定的深度處大約在20一50um范圍內(nèi)(圖748)。這種現(xiàn)象可能有幾種解釋: 裂紋擴(kuò)展的深度剛好對(duì)應(yīng)最大正交剪應(yīng)力的位置。 由于在接觸過(guò)程中，表面層中的珠光體發(fā)生了循環(huán)硬化，使其剪切抗力增加，而阻止了裂紋的擴(kuò)展。 由于接觸表面的摩擦溫度上升，使珠光體的塑性明顯增加，從而避免了開(kāi)裂。 這種點(diǎn)蝕剝落的形成過(guò)程 可 用 示 意 圖 表 示 （ 圖7.49）。2在最大剪應(yīng)力及拉應(yīng)力作用下，裂紋從表面萌生，傾斜擴(kuò)展。 鑄件中存在著不可避免的缺陷如疏松等它們總要暴露在加工表面上。這些缺陷就構(gòu)成了接觸表面上的薄弱環(huán)節(jié)，在循環(huán)應(yīng)力作用下，特別是最大剪應(yīng)力的極大值就在表面，裂紋很容易在缺陷

18、處產(chǎn)生，然后沿最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展最后形成點(diǎn)蝕坑。(二)挺桿點(diǎn)蝕的失效分析觀察分析，發(fā)現(xiàn)裂紋大致可分為三種類型(圖7.45）A型裂紋從表面起裂，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展。B型裂紋一在表面首先出現(xiàn)微觀點(diǎn)蝕，然后引發(fā)二次裂紋，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展。C型裂紋裂紋在表面下一定深度處萌生，沿平行于表面方向擴(kuò)展（a）（b）（c） A類裂紋約占45。從應(yīng)力條件分析，顯然是由于切向力的作用。在切向力作用下，不但使最大剪應(yīng)力增加了約40，而且使最大剪應(yīng)力的位置移到表面。 B類裂紋約占36。冷激鑄鐵中由于珠光體基體強(qiáng)度較低，在磨損過(guò)程中將首先被磨損而形成小的凹坑同時(shí)滲碳體突出，對(duì)應(yīng)微觀的最大剪應(yīng)力區(qū)，滲碳體將沿微觀點(diǎn)蝕坑底部發(fā)生斷裂，并從此誘發(fā)二次裂紋。最后擴(kuò)展成為宏觀點(diǎn)蝕。（圖7.55）5.55.5、防止疲勞磨損的表面處理技術(shù)防止疲勞磨損的表面處理技術(shù)表面滲碳、滲氮及碳氮共滲表面滲碳、滲氮及碳氮共滲1 1磷化及硫化處理磷化及硫化處理2 2自熔合金表面涂層自熔合金表面涂層3 3電鍍電鍍4 45 5固體固體潤(rùn)滑膜涂層潤(rùn)滑膜涂層2020鋼鋼(920(920滲碳滲碳) )處理金相圖處理金相圖1. 表面滲碳、滲氮及碳氮共滲表面滲碳處理： 將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中,加熱到900-950攝氏度的單相奧氏體區(qū),保溫足夠時(shí)間后,使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層,從而