硬度对疲劳寿命的影响

1、硬度对疲劳寿命的影响一、概述齿轮表面硬度测试分两组，每组 10个齿轮，它们渗碳和硬化的相同的 AISI9310材料, 相同的加工温度条件下制成的。 每组都是由标准研磨齿轮表面加工成的。 第二组对齿轮齿面 和齿根进行额外的喷丸加工处理 ，来减少残余表面压应力。齿轮节圆直径为8.89cm。测试条件是：齿轮温度 350 K,最大赫兹应力的 1.71 x 109 N /m2,和10000rpm的速度。结果表明，喷丸的标准齿轮寿命是没有喷丸寿命的1.5倍，残余应力测试表明，喷丸产生的压应力越高的齿轮疲劳寿命越长。喷丸齿轮之所以寿命是普通齿轮的1.5倍，主要是因为他们残余应力的不同。喷丸之后的齿轮它们的残

2、余应力远远高于标准齿轮。二、试验和结果1材料和测试条件这20个齿轮通过真空电极自耗单一热源且符合美国标准认证的AISI9310材料加工而成。其中十个齿轮在研磨之后进行了喷丸处理。这些齿轮节圆直径8.89cm。无论是喷丸齿轮还是没喷丸齿轮之后都在相同条件下进行表面疲劳点蚀试验。这些条件包括，齿轮温度350K,最大赫兹应力1.71x109N/m2,以及转速10000r/min。2仪器、样本、步骤2.1设备齿轮疲劳试验是在美国宇航局路易斯研究中心的齿轮测试仪（图1）上进行的。这个设备采用四边形原则来支持齿轮，当外加驱动是只需要克服系统的摩擦损失。Figure 1NASA Lewis Research

3、 Center's gear fatigue test apparatus. 图1NASA路易斯研究中心的齿轮疲劳试验装置试验装置的示意图如图1 （b）所示。油压和流动通过轴密封作用于负载叶片。随着油压对从动齿轮的负载叶片作用增加，转矩同样作用于轴。这个扭矩传播通过测试齿轮回到从 动齿轮，这里一个与之对应的相反转矩由油压力产生。这个作用于测试齿轮的扭矩，取决于作用于负载叶片的液压，它可以把轮齿加载所需的应力水平。两个相同的测试齿轮可以在没有 加载任何负载时开始，也可以在没有改变运行轨道时在轮齿上逐渐施加负载。皮带传动测试 设备可以通过调整皮带轮转速来控制齿轮转动到指定转速，本实验设计转

4、速为10000r/min。2.2材料这些测试齿轮由真空电极自耗（ CVM）生产材料AISA9310钢加工而成，而且这两套 齿轮的洛氏硬度为 58且硬化层深度为0.97mm,名义核心硬度为洛氏 40。其中一套齿轮在 在完成磨削，并根据表 2给出的要求进行齿根齿廓规范化。材料化学成分见表1。PFRSUR-1伯找htMM啊也表1材料成分成分CMnSiNiCrMoCuPS含量0.100.630.273.221.210.120.130.0050.005表2喷丸加工规范TABLE 2 - SHOT-PEENING SPECIFICATIONication ., MlL-S-1Jl&$aBPS FM

5、 44O»Sh4>t s 葭+ + ±* * * D705hqt typ4 *»*1* CS"tIfiLensily height of Almtn » * *0*18 to G.W?triptype A)* wn (w*)0.GD7 to 0.009)Coverage吊nd root200QfiJy). percentJ这些齿轮都是经过渗碳和热处理过的，热处理工序如表 3所示。图2显示的是AISI 9310材料的抛光侵蚀图片。表3 AISI 9310的热处理工序TABLE 3 - HEAT TREATMENT FOR AISI 9310

6、 'StepProcessTemppr占lureT 1net tirK叩ii !Pr&heat ifi air一一 i- 一 . -2Carburize165033X i rt* rooiri立temperaturei4Copper plaXe 411 over ， I$Reheat92212002.56Air cool to roo* temperature7Aust&nirize111716502.5aOil qutncli a M -qSubzero cool侬1 -uo3,51QDauoIe temper45。3502 cac niiFinish grind u

7、Stress re Heve450350I图2喷丸前后齿轮组织对比测试齿轮参数如表 4所示。timber ot * 一一 那 &ieii>etr*l p Itch a, 8Circular pitch 0 (In. O*99M QJ9") Uholc ccpVi't m W. * DJ&? OJOO AtUeMiru cm (inJ .一0*318 10-»25) CMrdal twth t9ickm£S< . * D.4&5 (0.13 )(rpfmMe) i cop rttture i”巾. tie, *,2。 P

8、itch diineteri. on* tt*9W 口.印口 jOutride di»neterp em (in»J , + + 9*525 (3*750) Root fillet, cm (vnJ Q町: tc 口J" (O jO< to 0J3i)urgent over pms. *33 tc Ltd。cn (in.)CJ吃，3w?«15?In diameter, cn (inj . , 3 U.xy Bsk】mh rtfctwcct 5 0-025 (O.OIOJTip relief, 5 (inj . * 0JK1 to 0-00IS 他刈

9、E Q J的Teeth widtti» cm |1g) U«b3b 花”2.3实验在测试齿轮被洗掉防腐剂后，他们被摆放在试验台上进行试验。0.635cm宽的测试齿轮在偏移0.3cm的重叠条件下运行，大于齿面的0.28cm,这样就能作用于齿轮的外边缘。如果齿轮的每个面都要进行测试，那么每组齿轮要进行四次疲劳试验。所有的测试都是在如下条件进行的。节线负载1225N/cm,时间1h。这样就给每个齿轮一个最大赫兹应力0.756x109N/m2。负载然后增加到 5784N/cm ,这给给节线的赫兹应力为1.71 x109N/m2。如果假定为纯弯曲，则齿根弯曲应力将是0.21 x109

10、N/m2。然而由于有一个抵消负荷（齿轮的弯曲应力），结合弯曲和扭转时给出的一个最大应力为0.26 x109N/m2。这个弯曲应力不包括齿端修缘的效果，所以这也增加了弯曲应力。齿轮试验转速为10000r/min ,节线速度为46.55m/s。润滑油出口几乎在恒定温度350±3K,测试运行不断，直到位于测试齿轮变速箱旁边的振动检测传感器自动关闭为止。每次测试润滑油和过滤器的成分被更换。进口和出口石油气温连续记录在一个纸带记录器。这个节线弹流(EHD)膜厚度计算的参考方法 6。因为这个膜厚度计算是假设齿轮节线温度等于出口油温， 入口油温，连接接触区的入口油温等于齿轮温度，即使入口油温低得多

11、。而且，齿轮表面温度甚至高于出口油温，特别是最后的滑动接触。 对这些条件EHD的膜厚度被计算为0.33师, 这就提供了一个表面粗糙度为初始膜厚度h/。为0.55且节线赫兹应力为1.71x109N/m2的比率。三、分析与讨论标准完成AISI 9310齿轮的表面(点蚀)疲劳结果如图4所示(a)。这些数据进行分析的方 法参考7。10 - 50%的疲劳寿命分别为是 18.8 x106r和46.1x106r。这些结果列在表 4中。失 败指数(即ie,数量的疲劳失效的数量与用于测试齿轮数的比值)是18/18。典型的疲劳剥落如图5(b)。一个截面的一个典型的疲劳剥落是图 节线的高赫兹应力地方，而且这只是个开

12、端。5(a)所示。表面点蚀缺陷逐渐出现在略低于修J S UMlE qWPk巾 I£一，二E者fc国15葡品怛&语-2一三图4喷丸与非喷丸齿轮表面点蚀疲劳寿命对比喷丸齿轮点蚀疲劳寿命结果，如图4(b)所示。失败的指数 24/24。一个典型喷丸齿轮的疲 劳剥落是图6(a)所示。典型的喷丸齿轮疲劳剥落截面显示在图6(b)中。表面点蚀疲劳寿命的10%和 50%分别是 30.1x106r 和 67.5 x106r。Flqurrl - 例，阴 yr呵puM jh，图5标准齿轮的疲劳剥落图iffoi Fi-tvui wl-N C.<nvi 1Klnr d Wqvrart L I

13、9;ftlirtl *图6喷丸齿轮疲劳剥落截面图众所周知，除了喷丸加工会产生残余应力外，渗碳、淬火、磨削也可以增加残余应力。我们假设喷丸齿轮增加的疲劳寿命应该是由喷丸产生的应力导致的。因此，对两个未经试验的喷丸齿轮和两个标准齿轮进行X射线检测残余应力的试验，来确定这些残余应力的大小。残余应力检测点位于节点附近的表面和内层深处5,13,25,76, 127, and 254师。材料被硫酸磷酸铭酸电解液电解抛光进行做内部测量，目的是减少可能的在材料处理过程中材料内部的应力分布发生变化。图7 (a)显示了两个修正 x射线衍射测量残余应力的深度函数在表面之下应力分布和大小，使用的齿轮为非喷丸齿轮。磨削

14、产生的高压缩应力在表面深度非常浅，对齿轮的表面耐久性影响很小。渗碳和淬火产生的压应力的较小，深度更深。这个压缩残余应力对表面疲劳和弯曲疲劳寿命有一定的有益影响。图7 (b)显示了喷丸齿轮的两条X射线测量残余应力的深度曲线图。由磨削产生的高的表面应力变小。由于喷丸的作用，使齿轮在表面下1.3 口出出现一个拐点值为最大应力点，在更深处的抗压应力由于此处理也在增加。正是由于在更深处增加的压应力，对表面疲劳寿命起主要作用。最大压应力所在的深度为178 d m。图7喷丸和非喷丸齿轮主要残余应力对比图7 (c)显示的是喷丸和非喷丸齿轮残余应力的对比。在最大剪切应力深度 178 处,平均剪切应力由非喷丸齿轮

15、的0.186x109N/m2,提高到喷丸齿轮的 0.26x109N/m2。以下为两种齿轮应力比率计算：Ln U.S, cpstdiiary units.口成- - 35万阳盛;%5 - ； L升除¥= nmiflJJ in.%. - xr 10»DOO pm)D =5T8 375<3J(H iWm3.£rTTheicCore for peenede1 里 1PL in Bl unit5"Q r " L x 10P 痴标ETV得-；也一就X I町=4第xiwAnd %就"己正印,£ 打* in Si unit?.57& J75GM-c】id加前ehe.-；卬酹汽1巾)= -0 S71X10Sin U S. custom