材料磨損與耐磨材料（第3章疲勞磨損課件）.ppt

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1、1§3.4疲勞磨損§3.4.1疲勞磨損的實(shí)質(zhì)與特點(diǎn)§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別§3.4.3疲勞磨損的基本原理§3.4.4疲勞磨損的影響因素2§3.4.1疲勞磨損的實(shí)質(zhì)與特點(diǎn)——也被稱為接觸疲勞磨損，是在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的表面失效形式，其過(guò)程包括裂紋的萌生、擴(kuò)展及最后斷裂，其典型特征為點(diǎn)蝕及剝落。與整體的疲勞斷裂有很多相似之處，可以看作材料疲勞斷裂的一種特殊形式。3疲勞磨損是一種最普遍的磨損形式，主要發(fā)生在承受周期性的接觸載荷或交變應(yīng)力的零件表面上。如滾動(dòng)軸承、齒輪、車軸、鋼軌、軋輥等。4§3.4.1疲勞磨損的實(shí)質(zhì)與特點(diǎn)從本質(zhì)看，接觸疲勞符合磨損的一般規(guī)律，即發(fā)生接觸、摩

2、擦、造成表面累計(jì)損傷并形成磨屑，特別是不僅在滾動(dòng)接觸，而且在滑動(dòng)接觸及其它磨損形式中，也都發(fā)現(xiàn)了表面疲勞過(guò)程，因此疲勞磨損完全可以被認(rèn)為是一種獨(dú)立的，而且是相當(dāng)普遍的磨損形式。疲勞磨損定義：當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，在表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展。最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程。5§3.4疲勞磨損§3.4.1疲勞磨損的實(shí)質(zhì)與特點(diǎn)§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別§3.4.3疲勞磨損的基本原理§3.4.4疲勞磨損的影響因素疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別整體磨損6裂紋萌生和擴(kuò)展方式疲勞壽命環(huán)境復(fù)雜程度計(jì)算和追蹤復(fù)雜性78§3

3、.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別區(qū)別一：裂紋源的萌生位置整體疲勞疲勞磨損表面亞表層裂紋擴(kuò)展的途徑和方向9§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別表面沿與外加應(yīng)力成45°角的方向擴(kuò)展，超過(guò)兩三個(gè)晶粒后，即轉(zhuǎn)向與應(yīng)力垂直的方向整體疲勞平行于表面，或是與表面成一定角度(約為10~30°)，且只限于在表面層內(nèi)擴(kuò)展。疲勞磨損10§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別其二：疲勞壽命整體疲勞中，一般都存在明顯的疲勞極限，即對(duì)某一種材料都有一個(gè)應(yīng)力極限，低于該極限，疲勞壽命可認(rèn)為是無(wú)限的。疲勞磨損尚未發(fā)現(xiàn)這樣的疲勞極限，零件的壽命波動(dòng)很大。有經(jīng)驗(yàn)公式可以表示疲勞失效時(shí)間t與最大接觸應(yīng)力σm之間的數(shù)值關(guān)

4、系：在點(diǎn)接觸或線接觸情況下，由于接觸應(yīng)力可以很高，所以接觸疲勞壽命要比整體疲勞低得多。11§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別其三：環(huán)境復(fù)雜性疲勞磨損中，除循環(huán)應(yīng)力作用外，材料還經(jīng)受復(fù)雜的摩擦過(guò)程，可引起表面層一系列的物理化學(xué)變化（如殘余應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)、缺陷特征、表面溫度、塑性變形以及各種機(jī)械及物理性能變化等）。這使疲勞磨損比整體疲勞處于更惡劣的工況，而且過(guò)程非常復(fù)雜。12§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別其四：計(jì)算和評(píng)價(jià)復(fù)雜性接觸應(yīng)力的計(jì)算比起整體疲勞斷裂的應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算更復(fù)雜，由于一系列的因素都會(huì)影響根據(jù)理想光滑表面接觸的假設(shè)條件(如材料是均勻的、各向同性的、只發(fā)生彈性

5、變形等)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。這些因素包括：材料的不均勻性、材料表面的特征、載荷分布及接觸的不連續(xù)性、油膜建立情況、切向力的大小等等。13§3.4疲勞磨損§3.4.1疲勞磨損的實(shí)質(zhì)§3.4.2疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別§3.4.3疲勞磨損的基本原理§3.4.4疲勞磨損的影響因素14§3.4.3疲勞磨損的基本原理疲勞磨損表面接觸處應(yīng)力的性質(zhì)和數(shù)值變化趨勢(shì)，可根據(jù)赫茲理論判定。滾動(dòng)接觸時(shí)，在交變應(yīng)力的影響下，裂紋容易在這里形核。若除滾動(dòng)接觸還存在滑動(dòng)接觸，破壞位置就逐漸移向表面，因?yàn)榧兓瑒?dòng)時(shí)最大應(yīng)力應(yīng)在表面處。15§3.4.3疲勞磨損的基本原理點(diǎn)接觸線接觸最大剪應(yīng)力是發(fā)生在離表面一定距離處。

6、其距離點(diǎn)接觸是0.47a對(duì)（線接觸）是0.78aa為接觸區(qū)寬度的1/2。點(diǎn)蝕與剝落是機(jī)器零件表面上接觸疲勞磨損的典型特征。1617§3.4.3疲勞磨損的基本原理一、點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕裂紋一般都從表面開(kāi)始，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展(與表面成l0~30°角)，最后裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來(lái)即成點(diǎn)蝕，因此單個(gè)的點(diǎn)蝕坑的表面形貌常表現(xiàn)為“扇形”或“貝殼形”。當(dāng)點(diǎn)蝕充分發(fā)展后，這種形貌特征已難于辨別。齒輪節(jié)圓上形成的點(diǎn)蝕發(fā)動(dòng)機(jī)冷激鑄鐵挺桿端面上的點(diǎn)蝕18§3.4.3疲勞磨損的基本原理1.早期點(diǎn)蝕理論——S．Way模型（于1935年提出）：1）發(fā)生點(diǎn)蝕的必要條件：摩擦副之間有油潤(rùn)滑；2）如果潤(rùn)滑油的

7、粘度高于某一定值，點(diǎn)蝕將不會(huì)發(fā)生；3）光滑的接觸表面不易發(fā)生點(diǎn)蝕；4)熱處理?xiàng)l件對(duì)于點(diǎn)蝕有顯著的影響。19§3.4.3疲勞磨損的基本原理點(diǎn)蝕過(guò)程：（1）裂紋的開(kāi)口迎向接觸點(diǎn)：①由于接觸壓力產(chǎn)生的高壓油波以極高的速度進(jìn)入裂紋，對(duì)裂紋壁產(chǎn)生強(qiáng)大液體沖擊，同時(shí)配對(duì)的接觸表面又可能將裂紋口封閉，使裂紋內(nèi)的油壓進(jìn)一步增高，從而使裂紋向縱深擴(kuò)展。點(diǎn)蝕裂紋擴(kuò)展示意圖(裂紋方向迎向接觸點(diǎn))20§3.4.3疲勞磨損的基本原理②裂紋的縫隙越大，作用在裂紋壁上的壓力也越大。③裂紋與表面之間的材料猶如一