接触疲劳ppt课件.ppt

1、工程材料力学性能,09金属三班 吕洪伟 0907024321,1,接触疲劳,一、接触疲劳现象与接触应力,二、接触疲劳破坏机理,三、接触疲劳试验方法,四、影响接触疲劳寿命的因素,2,一、接触疲劳现象与接触应力,1. 接触疲劳现象 机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在 交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损 伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使 物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。 接触疲劳的宏观形 态存征是在接触表面上 出现许多小针状或痘状 凹坑，有时凹坑很深， 呈贝壳状，有疲劳裂 纹发展线的痕迹，如图 1,图 1:接触疲劳表面形貌,3,根据剥落裂纹起始位置及形态的不同，

2、金属接触疲 劳破坏分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥 落三类。 麻点剥落：深度在0.10.2mm以下的小块剥落，呈 针状或豆状凹坑，截面呈不对称V型。 浅层剥落：深度在0.20.4mm，剥落底部大致和表 面平行，裂纹走向与表面呈锐角和垂直。 深层剥落：深度和硬化层深度相当，裂纹走向和表 面垂直。,4,图2为齿轮节圆附近齿面的麻点剥落， 图3为表面淬火齿轮深层剥落的宏观形貌。,图2 中等硬度齿轮小的麻点,图3 表面淬火齿轮沿过渡区深层剥落,5,接触疲劳与一般疲劳一样，也分为裂纹形成和扩展两个阶段，但通常认为裂纹形成过程时间长。 接触疲劳曲线也有两种：一种是有明显的接触疲劳极限；另一种是对于硬

3、度较高的钢，最大接触压应力随循环周次增加连续下降，无明显接触疲劳极限。 在接触压应力作用下，接触疲劳破坏与表面层塑性变形有关，因而表层塑性变形的深度决定麻点剥落的深度，而塑性变形进行的剧烈程度则决定麻点剥落扩展速度。 齿轮、轴承、钢轨与轮箍的表面经常出现接触疲劳破坏。少量麻点剥落不影响机件的正常工作，但随着时间的延长，麻点逐渐扩大，数量增多，机件表面受到大面积损坏，结果无法继续工作而失效。,6,2. 接触应力,接触疲劳是在接触压应力长期作用下的结果。 两物体相互接触时，在表面上产生的局部 压入应力称为接触应力，也叫赫兹应力。 受接触应力作用的 机件，按接触面初始几 何条件不同，可分为线 接触与

4、点接触两类，前 者如齿轮的接触，后者 如滚珠轴承的接触。,图4两圆柱体滚动接触时的应力状况和应力分布,7,滚动接触时，不论两接触物体是球体的点接触还是 圆柱体的线接触，接触面均为椭圆、最大压应力都 发生在表面上，而最大剪应力max发生在离表面一 定距离Z=0.786b处, 其中b为接触圆半径。,因滚动接触应力为交变应力，因而对接触面上 某一位置，其亚表层受0max重复循环应力作用， 应力半幅为0.5max，即为(0.150.16) max。,在交变剪应力的影响下，裂纹容易在最大剪应力 处成核，并扩展到表面而产生剥落，在零件表面形 成针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。,8,二、接触疲劳破坏机理,1.

5、 麻点剥落,2. 浅层剥落,3. 深层剥落,9,1. 麻点剥落,麻点剥落的形成过程如图5所示。实践表明， 表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差 （如表面有脱碳、 烧伤、淬火不足、夹杂物等） 时，易产生麻点剥落。前者是因为表面最大综合切 应力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。,机理： 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应 力反复作用在表层局部区域，若材料的抗剪屈服强 度较低，则将在该处产生塑性变形，同时还伴有形 变强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切 应力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成裂纹。,10,图5 麻点剥落形成过程示意图 a ) 初始裂纹形成 b) 初始裂纹扩展 c)

6、 二次裂纹形成 d) 二次裂纹扩展 e) 形成磨屑 f) 锯齿形表面,11,2. 浅层剥落,浅层剥落裂纹产生于亚表 层， 如图6a。 浅层剥落多出现在机件表面粗 糙度低，相对滑动小，即摩擦 力小的场合。剥落层深度一般 约0.20.4mm，它和最大应力 max所在深度6b相当，其 底部大致和表面平行，而其侧 0，另一面的一侧与表面约成45 侧垂直于表面。,图6 浅层剥落过程示意图 a) 在0.5b 处形成交变塑性变形 区 b)形成裂纹 c) 裂纹扩展剥落,12,3. 深层剥落,深层剥落裂纹产生如图7。 其疲劳磨损裂纹往往起源于硬 化层与心部的交界处。裂纹形 成后，先平行表面扩展，即沿 过渡区扩展

7、，而后垂直于表面 扩展，最后形成较深的剥落坑。 表面硬化机件心部强度太低， 硬化层深不合理，梯度太陡或过 渡区存在不利的应力分布都易造 成深层剥落。,图7 深层剥落过程示意图 （a)在过渡区产生塑性变形 (b)在过渡区产生裂纹 c) 形成大块剥落,13,三、接触疲劳试验方法,接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。 试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。 图8是 应用较广的JP M1型滚子式 试验机原理图。 该种试验机可以 做纯滚动或滚动 带滑动的试验。,图8 JPM-1型试验机原理图,14,四、影响接触疲劳寿命的因素,（一）内部因素,1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬

8、度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力,（二）外部因素,15,1. 非金属夹杂物,钢在冶炼时总存在有非金属夹杂物等冶金缺 陷，对机件（尤其是对轴承）的接触疲劳寿命影响 很大。轴承钢星的非金属夹杂物有塑性的（如硫化 物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）和 球状的（如硅钙酸盐、铁锈酸盐）三类，其中以脆 性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳 寿命危害最大。由于他们和机体交界处的弹塑性变形不协调，引起应力集中，故在脆性夹杂物的边缘部分最易造成微裂纹，降低疲劳寿命。而塑性的硫化物夹杂易随机体一起塑性变形，当硫化物夹杂把氧化物夹杂抱住形成共生夹杂物时，可以降低氧化物夹杂物的不良作用。,1

9、6,因次，人们认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高接触疲劳寿命有益。 人们普遍认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高 接触疲劳寿命有益。生产上应尽量减少钢中非金属 夹杂物（特别是氧化物、硅酸盐夹杂物），在有条 件情况下，要采用电渣重熔，真空冶炼等工艺,17,2. 热处理组织状态,马氏体含碳量对于轴承钢而言，在未 溶碳化物状态相同的条件下，当马氏体含碳量在 0.4%0.5%左右时，接触疲劳寿命最高。 马氏体和残余奥氏体的级别对于轴承 钢而言，在未溶碳化物状态相同的条件下，当马 氏体含碳量在 0.4%0.5% 左右时，接触疲劳寿 命最高。 末溶碳化物和带状碳化物对于马氏体 含碳为0.5%的高碳轴承钢，末溶碳

10、化物颗粒愈粗 大，则其相邻马氏体边界处的含碳量就愈高，该 处也就愈易形成接触疲劳裂纹，故寿命较低。,18,3. 表面硬度与心部硬度,在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度升高而 增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图9）。,齿轮心部硬度以3540为宜。,图9 轴承的表面硬度与平均寿命关系,19,4. 表面硬化层深度,为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：,t = m(,15 20 100,) ；或 t3.15b,式中 m模数； b接触面半宽。,20,5. 残余内应力,在渗碳层的一定范围内，存在有利的残 余压应力，可以提高接触疲劳寿命。,21,(二)外部因素,1. 表面粗糙度与接触精度,减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度， 提高接触精度，可以有效地增加接触疲劳寿命。接