表面疲劳磨损

02-02
表面疲劳磨损含义
两接触面作滚动或滚动滑动复合摩擦时,在循环接触应力的作用下,使材料表面疲劳而产生物质损耗的现象叫做表面疲劳磨损。

表面疲劳磨损分类
非扩展性的表面疲劳磨损:在新的摩擦表面上,接触点较少,单位面积上的压力较大,容易产生小麻点的现象。随着接触的扩大,单位面积的实际压力降低,小麻点停止扩大。对于塑性较好的金属表面,因加工硬化提高了表面强度,使小麻点不能继续扩展,机件可继续正常工作。
扩展性的表面疲劳磨损。当作用在两接触面上的交变压力较大时,由于材料塑性稍差或润滑选择不当,在磨合阶段就产生小麻点。有的在短时间内,而有的在稍长时间内,小麻点就会发展成痘状凹坑,使机件失效。

表面疲劳磨损机理
对表面疲劳磨损的研究表明,其磨损过程有两个阶段:首先是疲劳核心裂纹的形成;其次是疲劳裂纹的扩展,直至材料微粒的脱落。对于疲劳裂纹的形成和发展,有下述几种理论。

最大剪应力理论
研究表明,在纯滚动时,最大压应力发生在表面上,最大剪应力则发生在表面下一定距离,即次表层内,裂纹起源于次表面,如图2-21所示。
若此材料强度低或有缺陷(存在非金属夹杂物或已有裂纹等),就会首先产生塑性变形,经一定的循环后产生疲劳裂纹。裂纹沿着最大剪应力方向或夹杂物分布走向发展,直至使摩擦表面破坏和形成磨损微粒而脱落。磨屑形状多呈扇形,摩擦表面上留有各种形状的“痘斑”状点坑。

实践表明,凡是润滑条件优良、摩擦力小、表面材质好的滚动接触表面,若出现疲劳磨损,裂纹的生成多发生在次表层。这种疲劳磨损的特点是裂纹生成阶段小于裂纹扩展阶段,即裂纹扩展缓慢,断口比较亮。如果除纯滚动接触外,还带有滑动接触时,最大切应力的位置随着滑动分量的增加向表面移动,则破坏位置也随之向表面移动。

油楔理论
在滚动带滑动的接触过程中(如齿轮啮合表面),由于外载荷作用,表层的应力和摩擦力引起塑性变形,导致表层软化,最后在表面出现初始裂纹。裂纹起源于摩擦表面,裂纹方向与摩擦力方向一致。当有润滑油时,润滑油挤入裂纹中,在裂纹尖端处形成油楔,如图2-22所示。如果滚动方向和裂纹开口方向一致,则滚动体接触到裂口处,将把裂口封住。润滑油使裂纹的两壁承受很大压力,从而使裂纹扩展。在交变载荷的作用下,材料断裂。在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑。一般深度为0.1μm~0.2μm;如果滚动方向和裂纹开口方向相反,则当滚动体接触到裂口时,裂纹内的润滑油被挤出来,因而裂纹扩展缓慢,工作寿命长。
裂纹起源于表面的疲劳磨损的特点是裂纹生长阶段大于裂纹扩展阶段,即裂纹扩展阶段快,断口颜色较暗。

硬化过渡层破坏理论
经表面强化处理(渗碳、淬火等)的零件,其接触疲劳裂纹往往并不是起源于最大剪切应力处,而是在表面硬化层与心部交界的过渡层,即裂纹起源于硬化层和心部过渡层。这是因为该处所承受的剪切应力较大,而材料的剪切强度较低。试验表明,只要该处承受的剪切应力与材料的剪切强度之比大于0.55时,就可能在过渡区形成起始裂纹。
裂纹的发展一般是先沿平行于表面的方向扩展到一定长度后,再沿垂直或倾斜接触表面的方向向外扩展,先是小的麻点剥落,然后是大块剥落,形成表面压碎现象。

表面疲劳磨损的影响因素


材料
在一定硬度范围内,各种金属材料随硬度的提高,接触疲劳强度也相应地提高,但并不永远保持正比关系。如轴承钢,当表面硬度为HRC62时,抗疲劳磨损能力最大。随硬度的增加或降低,寿命均有较大的下降,如图2-23所示。对齿轮来说,齿面硬度在HRC58~HRC62,心部硬度在HRC35~HRC40范围内最佳。

润滑油粘度
根据弹性流体动压理论,润滑油的粘度愈高,接触部分的压力愈接近平均分布,抗疲劳磨损的能力就愈高。油的粘度愈低,愈易渗入裂纹中,加速裂纹扩展,降低寿命。润滑油中含水量过多对疲劳磨损有较大影响,须严格控制含水量。润滑油中加入适当固体润滑剂(MoS2)能提高抗疲劳磨损性能。

表面粗糙度
降低表面粗糙度,会相应提高抗疲劳磨损能力。接触应力大小不同,对粗糙度的要求也不同。一般接触应力大,对粗糙度要求高。硬度愈高的轴承和齿轮,对粗糙度的要求也愈高。

装配精度
保证装配精度,如对齿轮的装配要防止和减轻齿面的对角接触,保证接触印痕总长不少于齿宽的60%,并且接触印痕处在节圆附近,这就有可能避免出现早期麻点。

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来源:智能汽车网
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