第7章疲劳磨损.ppt

第七章疲劳磨损 FatigueWear 零件受交变应力的反复作用 在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹 随着裂纹的扩展与相互连接 造成颗粒从零件工作表面上脱落 形成疲劳坑的现象 一 概述1 定义 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 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 3 作用过程的差别整体疲劳一般只受循环应力的作用 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 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 表面萌生裂纹形成点蚀磨损 表层萌生裂纹形成鳞剥磨损是否有根据 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 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 还没有足够的根据 二 疲劳磨损的机理1 疲劳裂纹诱发点蚀理论 由S Way于1935年提出 发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑 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 2 摩擦温度诱发点蚀理论 3 最大剪应力理论 1 Hertz接触理论 滚动点接触 滚动线接触 距表面的位置 裂纹主要发生在 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 裂纹产生的判据 临界剪应力 表面能 裂纹扩展到邻近晶粒的塑性变形功 弹性模量 平均晶粒直径 决定于正应力三向性的常数 三 影响疲劳磨损的因素 1 苏联科学家的试验 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 1 载荷性质的影响 2 温诗铸教授的试验 附加拉伸弯曲应力显著地缩短接触疲劳寿命 而压缩弯曲应力的影响取决于它的数值大小 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劳寿命 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 构成应力集中源 从而导致疲劳裂纹的早期出现 通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力 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 粗糙度值越大 疲劳寿命越短 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起源 因此 提高表面光洁度有利于延长疲劳磨损寿命 4 润滑与润滑剂的影响 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 润滑油中带有水分 加速疲劳裂纹的扩展 表面吸附了氢原子 可以降低表面能 使裂纹在较低应力下扩展 在高温下润滑油的分解 会在高应力区造成酸性物质的堆积 降低接触疲劳寿命 实验表明 增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力 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 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