接觸疲勞ppt課件.ppt

1、工程材料力學(xué)性能,09金屬三班 呂洪偉 0907024321,1,接觸疲勞,一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力,二、接觸疲勞破壞機(jī)理,三、接觸疲勞試驗(yàn)方法,四、影響接觸疲勞壽命的因素,2,一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力,1. 接觸疲勞現(xiàn)象 機(jī)件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在 交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損 傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使 物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。 接觸疲勞的宏觀形 態(tài)存征是在接觸表面上 出現(xiàn)許多小針狀或痘狀 凹坑，有時(shí)凹坑很深， 呈貝殼狀，有疲勞裂 紋發(fā)展線的痕跡，如圖 1,圖 1:接觸疲勞表面形貌,3,根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的不同，

2、金屬接觸疲 勞破壞分為麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落和深層剝 落三類。 麻點(diǎn)剝落：深度在0.10.2mm以下的小塊剝落，呈 針狀或豆?fàn)畎伎?，截面呈不對稱V型。 淺層剝落：深度在0.20.4mm，剝落底部大致和表 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 面垂直。,4,圖2為齒輪節(jié)圓附近齒面的麻點(diǎn)剝落， 圖3為表面淬火齒輪深層剝落的宏觀形貌。,圖2 中等硬度齒輪小的麻點(diǎn),圖3 表面淬火齒輪沿過渡區(qū)深層剝落,5,接觸疲勞與一般疲勞一樣，也分為裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，但通常認(rèn)為裂紋形成過程時(shí)間長。 接觸疲勞曲線也有兩種：一種是有明顯的接觸疲勞極限；另一種是對于硬

3、度較高的鋼，最大接觸壓應(yīng)力隨循環(huán)周次增加連續(xù)下降，無明顯接觸疲勞極限。 在接觸壓應(yīng)力作用下，接觸疲勞破壞與表面層塑性變形有關(guān)，因而表層塑性變形的深度決定麻點(diǎn)剝落的深度，而塑性變形進(jìn)行的劇烈程度則決定麻點(diǎn)剝落擴(kuò)展速度。 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)果無法繼續(xù)工作而失效。,6,2. 接觸應(yīng)力,接觸疲勞是在接觸壓應(yīng)力長期作用下的結(jié)果。 兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部 壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力。 受接觸應(yīng)力作用的 機(jī)件，按接觸面初始幾 何條件不同，可分為線 接觸與

4、點(diǎn)接觸兩類，前 者如齒輪的接觸，后者 如滾珠軸承的接觸。,圖4兩圓柱體滾動接觸時(shí)的應(yīng)力狀況和應(yīng)力分布,7,滾動接觸時(shí)，不論兩接觸物體是球體的點(diǎn)接觸還是 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max發(fā)生在離表面一 定距離Z=0.786b處, 其中b為接觸圓半徑。,因滾動接觸應(yīng)力為交變應(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。,8,二、接觸疲勞破壞機(jī)理,1.

5、 麻點(diǎn)剝落,2. 淺層剝落,3. 深層剝落,9,1. 麻點(diǎn)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合切 應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較低所致。,機(jī)理： 在滾動接觸過程中，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) 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。由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切 應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就在表層形成裂紋。,10,圖5 麻點(diǎn)剝落形成過程示意圖 a ) 初始裂紋形成 b) 初始裂紋擴(kuò)展 c)

6、 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,11,2. 淺層剝落,淺層剝落裂紋產(chǎn)生于亞表 層， 如圖6a。 淺層剝落多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗 糙度低，相對滑動小，即摩擦 力小的場合。剝落層深度一般 約0.20.4mm，它和最大應(yīng)力 max所在深度6b相當(dāng)，其 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45 側(cè)垂直于表面。,圖6 淺層剝落過程示意圖 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,12,3. 深層剝落,深層剝落裂紋產(chǎn)生如圖7。 其疲勞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

7、，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 深層剝落過程示意圖 （a)在過渡區(qū)產(chǎn)生塑性變形 (b)在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋 c) 形成大塊剝落,13,三、接觸疲勞試驗(yàn)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)有純滾動和滾動帶滑動兩類。 圖8是 應(yīng)用較廣的JP M1型滾子式 試驗(yàn)機(jī)原理圖。 該種試驗(yàn)機(jī)可以 做純滾動或滾動 帶滑動的試驗(yàn)。,圖8 JPM-1型試驗(yàn)機(jī)原理圖,14,四、影響接觸疲勞壽命的因素,（一）內(nèi)部因素,1. 非金屬夾雜物 2. 熱處理組織狀態(tài) 3. 表面硬度與心部硬

8、度 4. 表面硬化層深度 5. 殘余內(nèi)應(yīng)力,（二）外部因素,15,1. 非金屬夾雜物,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 物）、脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氮化物等）和 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)，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)，可以降低氧化物夾雜物的不良作用。,1

9、6,因次，人們認(rèn)為，鋼中適量的硫化物夾雜對提高接觸疲勞壽命有益。 人們普遍認(rèn)為，鋼中適量的硫化物夾雜對提高 接觸疲勞壽命有益。生產(chǎn)上應(yīng)盡量減少鋼中非金屬 夾雜物（特別是氧化物、硅酸鹽夾雜物），在有條 件情況下，要采用電渣重熔，真空冶煉等工藝,17,2. 熱處理組織狀態(tài),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 0.4%0.5%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 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 0.4%0.5% 左右時(shí)，接觸疲勞壽 命最高。 末溶碳化物和帶狀碳化物對于馬氏體 含碳為0.5%的高碳軸承鋼，末溶碳

10、化物顆粒愈粗 大，則其相鄰馬氏體邊界處的含碳量就愈高，該 處也就愈易形成接觸疲勞裂紋，故壽命較低。,18,3. 表面硬度與心部硬度,在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞抗力隨硬度升高而 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）。,齒輪心部硬度以3540為宜。,圖9 軸承的表面硬度與平均壽命關(guān)系,19,4. 表面硬化層深度,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 t3.15b,式中 m模數(shù)； b接觸面半寬。,20,5. 殘余內(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，可以提高接觸疲勞壽命。,21,(二)外部因素,1. 表面粗糙度與接觸精度,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