第七章金属磨损和接触疲劳.docx

1、第七章金属磨损和接触疲劳第七章、金属磨损和接触疲劳Chapter 7 Wear and Contacting Fatigue of Metals7.1概述(Summarization) 任何机器在运转时，各构件之间总要发生接触及相对运动（滑动、滚动或滑动滚动），因而产生摩擦磨损降低工具效率、精度甚至报废等，因此研究磨损规律，提高构件耐磨性也是很重要的。工业中发生磨损的零件很多，如齿轮、轴承等的运转，飞机起落，火车飞驰，各种部件的锻造、挤压、冲压等等。7.2 磨损现象和耐磨性(Wear phenomenon and resistance)一、 磨损(Wear)11 定义（Definition）相

2、接触并作相对运动的两构件，其 表面因摩擦而形成磨屑，从而从表面逐渐损失及损伤的现象称为磨损。其中，磨损是一个复杂的过程，而磨屑的形成也是一个变形与断裂的过程。12 磨损过程(Wear process)磨损一般分为三个过程(见P.161上图7-1)：I. 跑合过程（磨合过程）II. 稳定磨损过程III. 剧烈磨损过程13 耐磨性（Wear resistance）耐磨性指材料抵抗磨损的能力。可用磨损量或摩擦表面法线方向的尺寸减小或磨痕宽度等来表示。14 磨损分类(Classification of wear)1) 根据磨损表面形态可分为：a. 粘着磨损b. 磨粒磨损c. 腐蚀磨损2）根据磨损所受应

3、力大小，磨粒磨损可分为: a凿削式磨粒磨损（如挖掘机齿轮） b高应力辗碎性磨粒磨损 c低应力擦伤性磨粒磨损3) 根据磨粒硬度与材料的相对硬度，磨粒磨损可分为: a硬磨粒磨损（磨粒硬度大于被磨材料的硬度） b软磨粒磨损（磨粒硬度小于被磨材料的硬度） 通常磨粒磨损即指硬磨粒磨损7.3 磨损机理(Wearing mechanism) 一、 粘着磨损(Adhesion wear) 1.1 定义(Definition)粘着磨损又称咬合磨损，是指在滑动摩擦条件下，且摩擦副相对滑动速度较小（转移到另一方。c 形成磨屑脱落。1.4 磨损量的估算(Evaluation of wearing mass) J FA

4、rchard 经推导得： V K FLt / （ 9sc）式中，V ：磨损的体积； Lt ：滑动距离；K ：磨屑形成几率； F ： 法向作用力；sc ：压缩屈服强度 ：伸长率 由上式可见：sc ， 升高，即 H 升高, V降低； F ，Lt 升高，V升高。二、 磨粒磨损（Particle wear）2.1 定义(Definition)磨粒磨损指当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或在摩擦副接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。前者又称为两体磨粒磨损，后者称为三体磨粒磨损。2.2 磨粒特征（Characteristic） 磨粒磨损主要特征是摩擦面上有明显的犁皱形成的沟槽。如p165，图7-

5、5。2.3 磨粒磨损量的估算(Evaluation of wearing mass)两体磨粒磨损量的估算：W F l tg / 3sc或 W KF l tg / H式中 F ：法向作用力；H ： 材料硬度；sc ：材料抗压屈服强度； ：凸出圆锥面与软材料表面间的夹角；l ：摩擦副相对滑动的距离； K ：为系数。 可见提高材料的硬度H，或强度，均可提高磨粒磨损抗力。2.4 磨粒磨损影响因素 金属材料的磨粒磨损抗力随H/E（H：材料硬度；E材料的弹性模量）的增大而提高，即材料硬度越高，则耐磨性越好（见P167上图7-7）； 细化晶粒可以提高材料的耐磨性； 在较软基体中分布均匀、弥散的第二相，可以提

6、高耐磨性；但在硬基体中分布均匀、弥散的第二相，反而会降低耐磨性；2.5 软磨粒磨损 （一般应用较少，故略）（见P169）7.4 磨损实验方法(Wear tests) 磨损实验方法有实物的实验（与实际情况一致或接近）和实验室实验等两大类。 实验室试验方法有：a销盘式b销筒式 c往复运动 dMM型 e砂纸磨损 f快速磨损 具体装置简图见p172。图711 磨损评定：测量磨损重量或测量磨痕的长度。7.5 提高耐磨性的方法(Methods of increasing wear resistance) 由于金属材料磨损主要发生在工件表面上的变形与断裂，因此提高材料表面强度（或硬度）及韧性，可以提高材料的

7、耐磨性。一、 提高粘着磨损抗力的方法（Methods of increasing adhesion wear resistance） 方法有：a 提高材料强韧性；b 改善润滑条件（加润滑剂或表面渗S、P、N等）；c 提高氧化膜的稳定性及其与基体材料的结合力d 降低工件表面粗糙度。二、 提高磨粒磨损抗力的方法（硬磨粒磨损）（Methods of increasing particle wear resistance） 方法有：a 提高材料的强韧性；b 表面渗C、B、N；c 保持表面清洁，即减少磨粒种类及数量。7.6 金属接触疲劳（Contacting Fatigue of Metals）一、 接

8、触疲劳及接触应力（Contacting fatigue and stress）11 定义(Definition)当两机件接触滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变载荷（接触压应力）的作用下，表面因疲劳而损伤的现象称为接触疲劳，也成为表面疲劳磨损或疲劳磨损。12 分类(Classification)接触疲劳磨损可分为：i. 麻点剥落（点蚀）；ii. 浅层剥落；iii. 深层剥落（表面压碎）。13 特性（Characteristic）接触疲劳破坏表面常有许多小针状或痘状凹坑或大凹坑。二、 接触应力(Contacting stress) 由于接触疲劳是在接触压应力长期作用下的结果，所以了解两物体接触应力及其

9、分布是及其重要的。21 定义(Definition)两物体相互接触时，在接触表面上产生局部压入应力称为接触应力，也称为赫兹应力，可以是面接触、线接触或点接触。22 两圆柱体作纯滚动时接触应力场(Contacting stress field of both cylinders under rolling condition)ay 0处的应力场如p175，图715所示，两接触圆柱体半径分别为R1、R2，长度为L0。在未变形前时线接触。施加法向力F 后，则为面接触，接触面积为2bl。 根据弹性力学可推导出，z 沿y 轴呈半椭圆形分布（在y 0 处，z 达到最大(z max)z z max （1 Y

10、2 / b 2 ）1/2式中 b F （R1R2）/ 【El （R1R2）】为接触面半宽；E 2E1E2 / ( E1 +E2 )为综合杨氏模量。 实际上，在F作用下，接触处应力为三向压应力，x 、y 、z 为主应力，相应的最大切应力为： zy45o （z y ）/2 zx45 o （z x ）/2 yx45 o （y x ）/2 其中zy45 o 最大。它的分布见P175上图7-16和P176图7-17。由图7-17或计算可得：在接触深度为0.786 b处，zy45 o 达到最大值。zy45omax （0.30.33）z max因此该处将作 0zy45 o max 之间的循环应力作用。振幅为

11、1/2zy45 o max 。b其他区域的应力分布 以上是沿z轴方向的应力分布，在接触区的其他区域应力分布与此不同。即切应力不等于零。也即x 、y 、z 不是主应力了。最大切应力0 max 也平行于接触表面。0 max 0.25 bz max 。切应力平行于接触表面。且在z 0.5 b处，y 0.85 b处为最大。 现两圆柱体作纯滚动接触，有两处接触应力，即 z 0.786 b ，y 0和 z 0.5b，y 0.85 b 处。这两处最大切应力将是疲劳裂纹形成的源区。c其他接触体的应力场。见p176-177。23 有滑动滚动两圆柱体接触应力场(Contacting stress field of

12、 both cylinders under Sliding and rolling condition) 在这种情况下，接触应力场会更加复杂。即是摩擦力的应力场和接触应力的应力场相互叠加的结果。 由p186 图7-22可见，在有滑动时，接触切应力0 由脉动应力变成交变应力0最大切应力深度将从z 0.786 b 移向表面。实验证明，当摩擦系数0.2 时，则0max移向工件的表面。三、 接触疲劳破坏机理接触疲劳裂纹也是切应力作用下塑性变形形成的。因此根据切应力分布特点可以决定裂纹产生的位置和接触疲劳的类型。31 麻点剥落(Formation of Spots) 当0 max 在表面处，会形成麻点剥

13、落，具体过程见p177 图7-19。 产生条件：表面摩擦力大，或表面缺陷（脱碳夹杂）32 浅层剥落(Falling of residue layers) 浅层剥落产生了亚表层，其深度与zy45omax 最大位置相当，即 0.786 b 或 0.5 b。 残层剥落多出现在机件表面粗糙度低，即光滑，相对滑动小，即摩擦力小的场合。33 深层剥落（压碎性剥落）（Formation of deep spots） 对于表面硬化处理良好的机件，若在0.786b 处产生裂纹会向内部过渡区扩展，形成压碎性剥落。 产生条件：机件心部强度过低，硬化层深不合理，梯度太陡或过渡区存在不利的应力分布是造成深层剥落的原因。

14、四、 接触疲劳实验方法（不讲）材料的接触疲劳性能也可以用maxN 来描述，max 赫芝公式算出的最大接触压应力。N为断裂周次。专用实验机，精度不高，（如嘉定齿轮厂齿轮台架寿命实验机）五、 影响接触疲劳抗力的因素(Factors of affecting contacting fatigue resistance) 从上面分析可知，接触疲劳破损主要是决定于接触件中最大综合切应力与材料屈服强度的相对大小，并考虑局部缺陷造成的应力集中,因此其影响因素有：51 内部因素(Internal factors)i. 工件内部存在金属夹杂疲劳抗力降低ii. 表面硬度升高疲劳抗力升高iii. 表面压应力升高疲劳抗力升高iv. 硬化层要有一定的深度。52 外因(External factors) a表面粗糙度降低疲劳抗力升高 b接触体硬度要匹配 c接触体之间的装配间隙、润滑等作业：（P181）1（1）、（7）、（8）；3；4；7；8。