第7章疲劳磨损.docx
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第7章疲劳磨损
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
裂纹类型
裂纹源
裂纹的扩展
整体疲劳
表面
与外加应力成45。
角，超过两三个晶粒后，转向与应力垂直
疲劳磨损
表面或亚表层
与表面成10°〜30°角或
平行于表面
（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，t=警
bmax
（3）作用过程的差别
＞整体疲劳一般只受循环应力的作用；
A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
A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
1:
1
萌间扩度
断口光滑
平行于表面扩展，后分叉延伸到表面
萌表力源纹在应中裂生层集
动主摩副
滚为的擦
表层萌生
耐比融快萌间扩度
断口粗糙
与滑动方向
成20°〜40°
角向表层扩
展，后分叉
萌表力源纹衽必中裂生面集
动主摩副
滑为的擦
liefIS高量材
表面萌生
鳞剥
片状
凹坑浅而面积大
点蚀
扇形
凹坑深而面积小
退火钢和调质钢
点蚀
渗碳钢和淬火钢
鳞剥
（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。
成鳞剥磨损是否有根据?
还没有足够的根据
/
・表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形
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%o
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。
二、疲劳磨损的机理
1.疲劳裂纹诱发点蚀理论
发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑;
由S・Way于1935年提出:
A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
Q、——«
特殊结构层形成
表面层失穗而隆起
A
r
3・最大剪应力理论
（1）Hertz接触理论
裂纹主要发生在厂处
距表面的位置
滚动点接触：
Vpr
滚动线接触：
JPR
（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。
2
T>——
P
1:
1
裂纹产生的判据
[T—临界剪应力
Y—表面能+裂纹扩展到邻近晶粒的塑性变形功
E—弹性模量
D—平均晶粒直径
P—决定于正应力三向性的
V常数
三、
影响疲劳磨损的因素
1.载荷性质的影响
（1）苏联科学家的试验
（T
950Mpa
850Mpa
11iVxlO4
-11
1012
85095010501150
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。
（2）温诗铸教授的试验
1=
III
附加拉伸弯曲应力
显著地缩短接触疲劳杯而压缩弯曲应
O
10
40
力的影响取决于它的
20
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
10
0L
2
10
20
最大接触应力:
2954Mpa
附加弯岛应力:
•—106Mpa
+一0
O38Mpa
—10IMpa
50x10
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
通常增加材料硬度可
以提高抗疲劳磨损能力,
M劳寿命
成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。
硬度
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
起源，因此，提高表面光洁度有
利于延长疲劳磨损轴。
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
4.润滑与润滑剂的影响
实验表明：
增加润滑油的粘度将提高抗接触疲
劳能力。
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
＞表面吸附了氢原
在较低应力下扩
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。
丿
性物质的堆积,
|玳护7U劝ZmJKupp
:
酸
＞在高温下润滑油
精品课件
V
1•
•r
精品课件
V
1•
•r
A在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触
疲劳寿命高于使用天然油的，因为合成油的粘
压系数值较大，因而油膜厚度较大。
说明油膜厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。
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，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展起重要影响。
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