第7章疲劳磨损精选PPT.ppt

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1、第7章疲劳磨损第1页，本讲稿共25页 疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、扩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展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。殊形式。早期的磨损分类，没有把这种接触疲劳划入磨早期的磨损分类，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，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

2、磨损形式。认为是一种独立的，而且是相当普遍的磨损形式。第2页，本讲稿共25页2.疲劳磨损与整体疲劳之间的区别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）裂纹源和裂纹扩展途径不同裂纹类型裂纹类型裂纹源裂纹源裂纹的扩展裂纹的扩展 整体疲劳整体疲劳表面表面与外加应力成与外加应力成45角，超角，超过两三个晶粒后，转向与过两三个晶粒后，转向与应力垂直应力垂直 疲劳磨损疲劳磨损 表面表面或或亚表层亚表层与表面成与表面成1030角角或或平行于表面平行于表面第3页，本讲稿共25页第4页，本讲稿共25页（2）疲劳极限的差别）疲劳极限的差别整体疲劳存在明显的疲劳极限；整体疲劳存在明显的疲劳极限；疲

3、劳磨损尚未发现疲劳极限，疲劳磨损尚未发现疲劳极限，（3）作用过程的差别）作用过程的差别整体疲劳一般只受循环应力的作用；整体疲劳一般只受循环应力的作用；疲劳磨损除循环应力作用外，摩擦过程可以引起表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。面层一系列的物理化学变化。（4）应力计算上的差别）应力计算上的差别疲劳磨损的应力计算受材料的均匀性、表面特征、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。载荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。第5页，本讲稿共25页3.疲劳磨损的种类疲劳磨损的种类（1）表层萌生与表面萌生疲劳磨损）表层萌生与表面

4、萌生疲劳磨损 表表层层萌萌生生一般一般质量质量钢材钢材滚动滚动为主为主的摩的摩擦副擦副裂纹萌裂纹萌生在生在表表层层应力应力集中源集中源平行于表面平行于表面扩展，后分扩展，后分叉延伸到表叉延伸到表面面断断口口光光滑滑萌生时萌生时间间短短，扩展速扩展速度度慢慢表表面面萌萌生生高高质质量钢量钢材材滑动滑动为主为主的摩的摩擦副擦副裂纹萌裂纹萌生在生在表表面面应力应力集中源集中源与滑动方向与滑动方向成成2040角角向表层扩展，向表层扩展，后分叉后分叉 断断口口粗粗糙糙萌生时萌生时间间长长，扩展速扩展速度度快快第6页，本讲稿共25页（2）鳞剥（）鳞剥（spalling）与点蚀（）与点蚀（pitting）磨

5、损）磨损鳞剥鳞剥 片状片状 凹坑凹坑浅浅而面积而面积大大 点蚀点蚀 扇形扇形 凹坑凹坑深深而面积而面积小小退火钢和调质钢退火钢和调质钢 点蚀点蚀 渗碳钢和淬火钢渗碳钢和淬火钢 鳞剥鳞剥 点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向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；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。平行向两端扩展，最后在两端断裂。第7页，本讲稿共25页表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞剥磨损是否有根据？剥磨损

6、是否有根据？有人曾对冷激铸铁挺杆上有人曾对冷激铸铁挺杆上106条点蚀裂纹进行了统条点蚀裂纹进行了统计分析，结果表明，大约计分析，结果表明，大约80%的裂纹是从表面起源的，的裂纹是从表面起源的，从亚表层内部萌生的只占从亚表层内部萌生的只占20%。大量的研究证明，点蚀裂纹的萌生，不仅决定于大量的研究证明，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。列因素有密切关系。还没有足够的根据还没有足够的根据第8页，本讲稿共25页二、疲

7、劳磨损的机理二、疲劳磨损的机理1.疲劳裂纹诱发点蚀理论疲劳裂纹诱发点蚀理论由由SWay于于1935年提出：年提出：发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑；发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑；润滑油粘度高于某一定值，点蚀将不会发生；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；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。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：根据裂纹的扩展方向分为两种情况：第9页，本讲稿共25页（1）裂纹开口迎）裂纹开口迎向接触点向接触点（2）裂纹开口背）裂纹开口背离接触点离接触点第10页，本讲稿共25页第11页

8、，本讲稿共25页第12页，本讲稿共25页第13页，本讲稿共25页第14页，本讲稿共25页2.摩擦温度诱发点蚀理论摩擦温度诱发点蚀理论第15页，本讲稿共25页第16页，本讲稿共25页3.最大剪应力理论最大剪应力理论（1）Hertz 接触理论接触理论滚动点接触：滚动点接触：滚动线接触：滚动线接触：距表面的位置距表面的位置裂纹主要发生在裂纹主要发生在第17页，本讲稿共25页（2）位错理论）位错理论 剪应力方向和大小反复发生变化，在亚表层内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。穴的集

9、中形成空洞，最后发展成裂纹。裂纹产生的判据裂纹产生的判据 临界剪应力临界剪应力表面能裂纹扩展到邻表面能裂纹扩展到邻近晶粒的塑性变形功近晶粒的塑性变形功弹性模量弹性模量平均晶粒直径平均晶粒直径决定于正应力三向性的决定于正应力三向性的常数常数第18页，本讲稿共25页三、影响疲劳磨损的因素三、影响疲劳磨损的因素（1 1）苏联科学家的试验）苏联科学家的试验 短期的高峰载荷周期性短期的高峰载荷周期性地附加在基本载荷上，不地附加在基本载荷上，不仅不降低反而提高了接触仅不降低反而提高了接触疲劳寿命。只有当高峰载疲劳寿命。只有当高峰载荷作用时间接近循环周期荷作用时间接近循环周期时间一半时，高峰载荷才时间一半时

10、，高峰载荷才开始降低接触疲劳寿命。开始降低接触疲劳寿命。1.载荷性质的影响载荷性质的影响第19页，本讲稿共25页（2）温诗铸教授的试验）温诗铸教授的试验 附加拉伸弯曲应力附加拉伸弯曲应力显著地缩短接触疲劳显著地缩短接触疲劳寿命，而压缩弯曲应寿命，而压缩弯曲应力的影响取决于它的力的影响取决于它的数值大小。较小的附数值大小。较小的附加压缩应力能够增加加压缩应力能够增加疲劳寿命，而大的压疲劳寿命，而大的压缩弯曲应力将降低疲缩弯曲应力将降低疲劳寿命。劳寿命。第20页，本讲稿共25页 少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，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

11、，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。的拉应力促使裂纹扩展加速。应力循环速度越应力循环速度越大，表面积聚热量大，表面积聚热量和温度就越高，使和温度就越高，使金属软化而降低机金属软化而降低机械性能，因而加速械性能，因而加速表面的疲劳磨损。表面的疲劳磨损。第21页，本讲稿共25页2.材料性能的影响材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，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，构在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中

12、源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。通常通常增加材料硬度增加材料硬度可可以提高抗疲劳磨损能力，以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低接触增加，反而会降低接触疲劳寿命。疲劳寿命。第22页，本讲稿共25页3.表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 粗糙度值越大，疲劳寿命越粗糙度值越大，疲劳寿命越短。短。因为实际加工表面的微凸体接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。微观点蚀的发了很多微观点蚀。微观点蚀的出现往往

13、构成了宏观点蚀裂纹的出现往往构成了宏观点蚀裂纹的起源，因此，起源，因此，提高表面光洁度提高表面光洁度有有利于延长疲劳磨损寿命。利于延长疲劳磨损寿命。第23页，本讲稿共25页4.润滑与润滑剂的影响润滑与润滑剂的影响粘度影响疲劳磨损机理的不同观点：粘度影响疲劳磨损机理的不同观点：增加润滑剂粘度使增加润滑剂粘度使弹流油膜增厚弹流油膜增厚，从而减轻粗，从而减轻粗糙峰的互相作用；糙峰的互相作用；润滑油中带有水分，润滑油中带有水分，加速加速疲劳裂纹的疲劳裂纹的扩展扩展；表面吸附了氢原子，可以降低表面能，使表面吸附了氢原子，可以降低表面能，使裂纹在裂纹在较低应力下扩展较低应力下扩展；在高温下润滑油的分解，会

14、在高应力区造成酸性在高温下润滑油的分解，会在高应力区造成酸性物质的堆积，物质的堆积，降低接触疲劳寿命降低接触疲劳寿命。实验表明：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲实验表明：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。劳能力。不能解释某些无油滚动时不能解释某些无油滚动时不出现接触疲劳，而加入不出现接触疲劳，而加入润滑油后迅速发生接触疲润滑油后迅速发生接触疲劳磨损的现象。劳磨损的现象。第24页，本讲稿共25页接触疲劳磨损机理可以归纳如下：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，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，无论有无润滑油存在，循环应力循环应力起着主要作用。起着主要作用。裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的后，润滑油的粘度粘度对于裂纹扩展起重要影响。对于裂纹扩展起重要影响。在相同温度和相同粘度下，使用在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触合成油的接触疲劳寿命高于使用天然油疲劳寿命高于使用天然油的，因为合成油的粘的，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。厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。第25页，本讲稿共25页