接触疲劳 PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工程材料力学性能
09金属三班
吕洪伟
0907024321
接触疲劳
一、接触疲劳现象与接触应力 二、接触疲劳破坏机理 三、接触疲劳试验方法 四、影响接触疲劳寿命的因素
一、接触疲劳现象与接触应力
1. 接触疲劳现象 机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在
交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损 伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使 物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。
接触疲劳的宏观形 态存征是在接触表面上 出现许多小针状或痘状 凹坑，有时凹坑很深， 呈贝壳状，有疲劳裂 纹发展线的痕迹，如图 1
图 1:接触疲劳表面形貌
根据剥落裂纹起始位置及形态的不同，金属接触疲 劳破坏分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥 落三类。 麻点剥落：深度在0.1~0.2mm以下的小块剥落，呈 针状或豆状凹坑，截面呈不对称V型。 浅层剥落：深度在0.2~0.4mm，剥落底部大致和表 面平行，裂纹走向与表面呈锐角和垂直。 深层剥落：深度和硬化层深度相当，裂纹走向和表 面垂直。
因次，人们认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高接触 疲劳寿命有益。
人们普遍认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高 接触疲劳寿命有益。生产上应尽量减少钢中非金属 夹杂物（特别是氧化物、硅酸盐夹杂物），在有条 件情况下，要采用电渣重熔，真空冶炼等工艺
2. 热处理组织状态
⑴马氏体含碳量对于轴承钢而言，在未 溶碳化物状态相同的条件下，当马氏体含碳量在 0.4%～0.5%左右时，接触疲劳寿命最高。
⑵马氏体和残余奥氏体的级别对于轴承 钢而言，在未溶碳化物状态相同的条件下，当马 氏体含碳量在 0.4%～0.5% 左右时，接触疲劳寿 命最高。
⑶末溶碳化物和带状碳化物对于马氏体 含碳为0.5%的高碳轴承钢，末溶碳化物颗粒愈粗 大，则其相邻马氏体边界处的含碳量就愈高，该 处也就愈易形成接触疲劳裂纹，故寿命较低。
在交变剪应力的影响下，裂纹容易在最大剪应力 处成核，并扩展到表面而产生剥落，在零件表面形 成针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。
二、接触疲劳破坏机理
1. 麻点剥落 2. 浅层剥落 3. 深层剥落
1. 麻点剥落
麻点剥落的形成过程如图5所示。实践表明， 表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差 （如表面有脱碳、 烧伤、淬火不足、夹杂物等） 时，易产生麻点剥落。前者是因为表面最大综合切 应力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。
机理： 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应 力反复作用在表层局部区域，若材料的抗剪屈服强 度较低，则将在该处产生塑性变形，同时还伴有形 变强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切 应力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成裂纹。
图5 麻点剥落形成过程示意图
a ) 初始裂纹形成 b) 初始裂纹扩展 c) 二次裂纹形成
d) 二次裂纹扩展 e) 形成磨屑 f) 锯齿形表面
2. 浅层剥落
浅层剥落裂纹产生于亚表 层， 如图6a。 浅层剥落多出现在机件表面粗 糙度低，相对滑动小，即摩擦 力小的场合。剥落层深度一般 约0.2~0.4mm，它和最大应力
τmax所在深度6b相当，其
底部大致和表面平行，而其侧 0，另一面的一侧与表面
( ) t = m 15~ 20 ；或 t≥3.15b 100
式中 m——模数；
b——接触面半宽。
5. 残余内应力
在渗碳层的一定范围内，存在有利的残 余压应力，可以提高接触疲劳寿命。
(二)外部因素
1. 表面粗糙度与接触精度
减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度， 提高接触精度，可以有效地增加接触疲劳寿命。接 触应力大小不同，对表面粗糙度要求也不同。接触 应力低时，表面粗糙度对接触疲劳寿命影响较大;接 触应力高时，表面粗糙度影响较小。
2. 接触应力
接触疲劳是在接触压应力长期作用下的结 果。 两物体相互接触时，在表面上产生的局部 压入应力称为接触应力，也叫赫兹应力。 受接触应力作用的 机件，按接触面初始几 何条件不同，可分为线 接触与点接触两类，前 者如齿轮的接触，后者 如滚珠轴承的接触。
图4两圆柱体滚动接触时的应力状况和应力分布
3. 表面硬度与心部硬度
在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度升高而 增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图9）。
齿轮心部硬度以35~40为宜。
图9 轴承的表面硬度与平均寿命关系
4. 表面硬化层深度
为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：
图7 深层剥落过程示意图 （a)在过渡区产生塑性变形 (b)在过渡区产生裂纹
c) 形成大块剥落
三、接触疲劳试验方法
接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。 试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。
图8是 应用较广的JP M－1型滚子式 试验机原理图。 该种试验机可以 做纯滚动或滚动 带滑动的试验。
图8 JPM-1型试验机原理图
在接触压应力作用下，接触疲劳破坏与表面层塑性变 形有关，因而表层塑性变形的深度决定麻点剥落的深 度，而塑性变形进行的剧烈程度则决定麻点剥落扩展 速度。
齿轮、轴承、钢轨与轮箍的表面经常出现接触疲劳破 坏。少量麻点剥落不影响机件的正常工作，但随着时 间的延长，麻点逐渐扩大，数量增多，机件表面受到 大面积损坏，结果无法继续工作而失效。
滚动接触时，不论两接触物体是球体的点接触还是 圆柱体的线接触，接触面均为椭圆、最大压应力都
发生在表面上，而最大剪应力τmax发生在离表面一
定距离Z=0.786b处, 其中b为接触圆半径。
因滚动接触应力为交变应力，因而对接触面上
某一位置，其亚表层受0~τmax重复循环应力作用， 应力半幅为0.5τmax，即为(0.15~0.16) σmax。
2. 硬度匹配
两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，2Q－400型减速器小 齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4～1.7的匹配关系， 可使承载能力提高30%～ຫໍສະໝຸດ Baidu0%。
图2为齿轮节圆附近齿面的麻点剥落， 图3为表面淬火齿轮深层剥落的宏观形貌。
图2 中等硬度齿轮小的麻点
图3 表面淬火齿轮沿过渡区深层剥落
接触疲劳与一般疲劳一样，也分为裂纹形成和扩展两 个阶段，但通常认为裂纹形成过程时间长。
接触疲劳曲线也有两种：一种是有明显的接触疲劳极 限；另一种是对于硬度较高的钢，最大接触压应力随 循环周次增加连续下降，无明显接触疲劳极限。
四、影响接触疲劳寿命的因素
（一）内部因素
1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力
（二）外部因素
1. 非金属夹杂物
钢在冶炼时总存在有非金属夹杂物等冶金缺 陷，对机件（尤其是对轴承）的接触疲劳寿命影响 很大。轴承钢星的非金属夹杂物有塑性的（如硫化 物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）和 球状的（如硅钙酸盐、铁锈酸盐）三类，其中以脆 性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳 寿命危害最大。由于他们和机体交界处的弹塑性变 形不协调，引起应力集中，故在脆性夹杂物的边缘 部分最易造成微裂纹，降低疲劳寿命。而塑性的硫 化物夹杂易随机体一起塑性变形，当硫化物夹杂把 氧化物夹杂抱住形成共生夹杂物时，可以降低氧化 物夹杂物的不良作用。
约成45 侧垂直于表面。
图6 浅层剥落过程示意图 a) 在≈0.5b 处形成交变塑性变形
区
b)形成裂纹 c) 裂纹扩展剥落
3. 深层剥落
深层剥落裂纹产生如图7。 其疲劳磨损裂纹往往起源于硬 化层与心部的交界处。裂纹形 成后，先平行表面扩展，即沿 过渡区扩展，而后垂直于表面 扩展，最后形成较深的剥落坑。 表面硬化机件心部强度太低， 硬化层深不合理，梯度太陡或过 渡区存在不利的应力分布都易造 成深层剥落。
09金属三班
吕洪伟
0907024321
接触疲劳
一、接触疲劳现象与接触应力 二、接触疲劳破坏机理 三、接触疲劳试验方法 四、影响接触疲劳寿命的因素
一、接触疲劳现象与接触应力
1. 接触疲劳现象 机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在
交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损 伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使 物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。
接触疲劳的宏观形 态存征是在接触表面上 出现许多小针状或痘状 凹坑，有时凹坑很深， 呈贝壳状，有疲劳裂 纹发展线的痕迹，如图 1
图 1:接触疲劳表面形貌
根据剥落裂纹起始位置及形态的不同，金属接触疲 劳破坏分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥 落三类。 麻点剥落：深度在0.1~0.2mm以下的小块剥落，呈 针状或豆状凹坑，截面呈不对称V型。 浅层剥落：深度在0.2~0.4mm，剥落底部大致和表 面平行，裂纹走向与表面呈锐角和垂直。 深层剥落：深度和硬化层深度相当，裂纹走向和表 面垂直。
因次，人们认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高接触 疲劳寿命有益。
人们普遍认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高 接触疲劳寿命有益。生产上应尽量减少钢中非金属 夹杂物（特别是氧化物、硅酸盐夹杂物），在有条 件情况下，要采用电渣重熔，真空冶炼等工艺
2. 热处理组织状态
⑴马氏体含碳量对于轴承钢而言，在未 溶碳化物状态相同的条件下，当马氏体含碳量在 0.4%～0.5%左右时，接触疲劳寿命最高。
⑵马氏体和残余奥氏体的级别对于轴承 钢而言，在未溶碳化物状态相同的条件下，当马 氏体含碳量在 0.4%～0.5% 左右时，接触疲劳寿 命最高。
⑶末溶碳化物和带状碳化物对于马氏体 含碳为0.5%的高碳轴承钢，末溶碳化物颗粒愈粗 大，则其相邻马氏体边界处的含碳量就愈高，该 处也就愈易形成接触疲劳裂纹，故寿命较低。
在交变剪应力的影响下，裂纹容易在最大剪应力 处成核，并扩展到表面而产生剥落，在零件表面形 成针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。
二、接触疲劳破坏机理
1. 麻点剥落 2. 浅层剥落 3. 深层剥落
1. 麻点剥落
麻点剥落的形成过程如图5所示。实践表明， 表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差 （如表面有脱碳、 烧伤、淬火不足、夹杂物等） 时，易产生麻点剥落。前者是因为表面最大综合切 应力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。
机理： 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应 力反复作用在表层局部区域，若材料的抗剪屈服强 度较低，则将在该处产生塑性变形，同时还伴有形 变强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切 应力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成裂纹。
图5 麻点剥落形成过程示意图
a ) 初始裂纹形成 b) 初始裂纹扩展 c) 二次裂纹形成
d) 二次裂纹扩展 e) 形成磨屑 f) 锯齿形表面
2. 浅层剥落
浅层剥落裂纹产生于亚表 层， 如图6a。 浅层剥落多出现在机件表面粗 糙度低，相对滑动小，即摩擦 力小的场合。剥落层深度一般 约0.2~0.4mm，它和最大应力
τmax所在深度6b相当，其
底部大致和表面平行，而其侧 0，另一面的一侧与表面
( ) t = m 15~ 20 ；或 t≥3.15b 100
式中 m——模数；
b——接触面半宽。
5. 残余内应力
在渗碳层的一定范围内，存在有利的残 余压应力，可以提高接触疲劳寿命。
(二)外部因素
1. 表面粗糙度与接触精度
减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度， 提高接触精度，可以有效地增加接触疲劳寿命。接 触应力大小不同，对表面粗糙度要求也不同。接触 应力低时，表面粗糙度对接触疲劳寿命影响较大;接 触应力高时，表面粗糙度影响较小。
2. 接触应力
接触疲劳是在接触压应力长期作用下的结 果。 两物体相互接触时，在表面上产生的局部 压入应力称为接触应力，也叫赫兹应力。 受接触应力作用的 机件，按接触面初始几 何条件不同，可分为线 接触与点接触两类，前 者如齿轮的接触，后者 如滚珠轴承的接触。
图4两圆柱体滚动接触时的应力状况和应力分布
3. 表面硬度与心部硬度
在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度升高而 增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图9）。
齿轮心部硬度以35~40为宜。
图9 轴承的表面硬度与平均寿命关系
4. 表面硬化层深度
为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：
图7 深层剥落过程示意图 （a)在过渡区产生塑性变形 (b)在过渡区产生裂纹
c) 形成大块剥落
三、接触疲劳试验方法
接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。 试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。
图8是 应用较广的JP M－1型滚子式 试验机原理图。 该种试验机可以 做纯滚动或滚动 带滑动的试验。
图8 JPM-1型试验机原理图
在接触压应力作用下，接触疲劳破坏与表面层塑性变 形有关，因而表层塑性变形的深度决定麻点剥落的深 度，而塑性变形进行的剧烈程度则决定麻点剥落扩展 速度。
齿轮、轴承、钢轨与轮箍的表面经常出现接触疲劳破 坏。少量麻点剥落不影响机件的正常工作，但随着时 间的延长，麻点逐渐扩大，数量增多，机件表面受到 大面积损坏，结果无法继续工作而失效。
滚动接触时，不论两接触物体是球体的点接触还是 圆柱体的线接触，接触面均为椭圆、最大压应力都
发生在表面上，而最大剪应力τmax发生在离表面一
定距离Z=0.786b处, 其中b为接触圆半径。
因滚动接触应力为交变应力，因而对接触面上
某一位置，其亚表层受0~τmax重复循环应力作用， 应力半幅为0.5τmax，即为(0.15~0.16) σmax。
2. 硬度匹配
两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，2Q－400型减速器小 齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4～1.7的匹配关系， 可使承载能力提高30%～ຫໍສະໝຸດ Baidu0%。
图2为齿轮节圆附近齿面的麻点剥落， 图3为表面淬火齿轮深层剥落的宏观形貌。
图2 中等硬度齿轮小的麻点
图3 表面淬火齿轮沿过渡区深层剥落
接触疲劳与一般疲劳一样，也分为裂纹形成和扩展两 个阶段，但通常认为裂纹形成过程时间长。
接触疲劳曲线也有两种：一种是有明显的接触疲劳极 限；另一种是对于硬度较高的钢，最大接触压应力随 循环周次增加连续下降，无明显接触疲劳极限。
四、影响接触疲劳寿命的因素
（一）内部因素
1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力
（二）外部因素
1. 非金属夹杂物
钢在冶炼时总存在有非金属夹杂物等冶金缺 陷，对机件（尤其是对轴承）的接触疲劳寿命影响 很大。轴承钢星的非金属夹杂物有塑性的（如硫化 物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）和 球状的（如硅钙酸盐、铁锈酸盐）三类，其中以脆 性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳 寿命危害最大。由于他们和机体交界处的弹塑性变 形不协调，引起应力集中，故在脆性夹杂物的边缘 部分最易造成微裂纹，降低疲劳寿命。而塑性的硫 化物夹杂易随机体一起塑性变形，当硫化物夹杂把 氧化物夹杂抱住形成共生夹杂物时，可以降低氧化 物夹杂物的不良作用。
约成45 侧垂直于表面。
图6 浅层剥落过程示意图 a) 在≈0.5b 处形成交变塑性变形
区
b)形成裂纹 c) 裂纹扩展剥落
3. 深层剥落
深层剥落裂纹产生如图7。 其疲劳磨损裂纹往往起源于硬 化层与心部的交界处。裂纹形 成后，先平行表面扩展，即沿 过渡区扩展，而后垂直于表面 扩展，最后形成较深的剥落坑。 表面硬化机件心部强度太低， 硬化层深不合理，梯度太陡或过 渡区存在不利的应力分布都易造 成深层剥落。