硬度对疲劳寿命的影响

硬度对疲劳寿命的影响

一、概述

齿轮表面硬度测试分两组，每组10个齿轮，它们渗碳和硬化的相同的AISI9310材料，相同的加工温度条件下制成的。每组都是由标准研磨齿轮表面加工成的。第二组对齿轮齿面和齿根进行额外的喷丸加工处理,来减少残余表面压应力。齿轮节圆直径为8.89cm。测试条件是：齿轮温度350 K，最大赫兹应力的1.71 x 109 N /m2，和10000rpm的速度。

结果表明，喷丸的标准齿轮寿命是没有喷丸寿命的1.5倍，残余应力测试表明，喷丸产生的压应力越高的齿轮疲劳寿命越长。喷丸齿轮之所以寿命是普通齿轮的1.5倍，主要是因为他们残余应力的不同。喷丸之后的齿轮它们的残余应力远远高于标准齿轮。

二、试验和结果

1 材料和测试条件

这20个齿轮通过真空电极自耗单一热源且符合美国标准认证的AISI9310材料加工而成。其中十个齿轮在研磨之后进行了喷丸处理。这些齿轮节圆直径8.89cm。无论是喷丸齿轮还

是没喷丸齿轮之后都在相同条件下进行表面疲劳点蚀试验。这些条件包括，齿轮温度350K，最大赫兹应力1.71x109N/m2，以及转速10000r/min。

2 仪器、样本、步骤

2.1 设备

齿轮疲劳试验是在美国宇航局路易斯研究中心的齿轮测试仪(图1)上进行的。这个设备

采用四边形原则来支持齿轮，当外加驱动是只需要克服系统的摩擦损失。

Figure 1NASA Lewis Research Center's gear fatigue test apparatus.

图1NASA路易斯研究中心的齿轮疲劳试验装置

试验装置的示意图如图1（b）所示。油压和流动通过轴密封作用于负载叶片。随着油

压对从动齿轮的负载叶片作用增加,转矩同样作用于轴。这个扭矩传播通过测试齿轮回到从

动齿轮,这里一个与之对应的相反转矩由油压力产生。这个作用于测试齿轮的扭矩,取决于作用于负载叶片的液压,它可以把轮齿加载所需的应力水平。两个相同的测试齿轮可以在没有

加载任何负载时开始,也可以在没有改变运行轨道时在轮齿上逐渐施加负载。皮带传动测试

设备可以通过调整皮带轮转速来控制齿轮转动到指定转速，本实验设计转速为10000r/min。

2.2 材料

这些测试齿轮由真空电极自耗（CVM）生产材料AISA9310钢加工而成，而且这两套

齿轮的洛氏硬度为58且硬化层深度为0.97mm，名义核心硬度为洛氏40。其中一套齿轮在

在完成磨削，并根据表2给出的要求进行齿根齿廓规范化。材料化学成分见表1。

表1 材料成分

成分 C Mn Si Ni Cr Mo Cu P S

含量0.10 0.63 0.27 3.22 1.21 0.12 0.13 0.005 0.005 表2 喷丸加工规范

TABLE 2 - SHOT-PEENING SPECIFICATION

这些齿轮都是经过渗碳和热处理过的，热处理工序如表3所示。图2显示的是AISI 9310材料的抛光侵蚀图片。

表3 AISI 9310的热处理工序

TABLE 3 - HEAT TREATMENT FOR AISI 9310

图2 喷丸前后齿轮组织对比

测试齿轮参数如表4所示。

2.3 实验

在测试齿轮被洗掉防腐剂后，他们被摆放在试验台上进行试验。0.635cm宽的测试齿轮在偏移0.3cm的重叠条件下运行，大于齿面的0.28cm，这样就能作用于齿轮的外边缘。如果齿轮的每个面都要进行测试，那么每组齿轮要进行四次疲劳试验。所有的测试都是在如下条件进行的。节线负载1225N/cm，时间1h。这样就给每个齿轮一个最大赫兹应力

0.756x109N/m2。负载然后增加到5784N/cm，这给给节线的赫兹应力为1.71 x109N/m2。如果假定为纯弯曲，则齿根弯曲应力将是0.21 x109N/m2。然而由于有一个抵消负荷（齿轮的弯曲应力），结合弯曲和扭转时给出的一个最大应力为0.26 x109N/m2。这个弯曲应力不包括齿端修缘的效果，所以这也增加了弯曲应力。

齿轮试验转速为10000r/min，节线速度为46.55m/s。润滑油出口几乎在恒定温度350±3K，测试运行不断，直到位于测试齿轮变速箱旁边的振动检测传感器自动关闭为止。每次测试润

滑油和过滤器的成分被更换。进口和出口石油气温连续记录在一个纸带记录器。这个节线弹流(EHD)膜厚度计算的参考方法6。因为这个膜厚度计算是假设齿轮节线温度等于出口油温，入口油温，连接接触区的入口油温等于齿轮温度，即使入口油温低得多。而且，齿轮表面温度甚至高于出口油温，特别是最后的滑动接触。对这些条件EHD的膜厚度被计算为0.33μm，这就提供了一个表面粗糙度为初始膜厚度h/σ为0.55且节线赫兹应力为1.71x109N/m2的比率。

三、分析与讨论

标准完成AISI 9310齿轮的表面(点蚀)疲劳结果如图4所示(a)。这些数据进行分析的方法参考7。10 - 50%的疲劳寿命分别为是18.8 x106r和46.1x106r。这些结果列在表4中。失败指数(即i.e.，数量的疲劳失效的数量与用于测试齿轮数的比值)是18/18。典型的疲劳剥落如图5(b)。一个截面的一个典型的疲劳剥落是图5(a)所示。表面点蚀缺陷逐渐出现在略低于节线的高赫兹应力地方,而且这只是个开端。

图4 喷丸与非喷丸齿轮表面点蚀疲劳寿命对比

喷丸齿轮点蚀疲劳寿命结果,如图4(b)所示。失败的指数24/24。一个典型喷丸齿轮的疲劳剥落是图6(a)所示。典型的喷丸齿轮疲劳剥落截面显示在图6(b)中。表面点蚀疲劳寿命的10%和50%分别是30.1x106r和67.5 x106r。

图5 标准齿轮的疲劳剥落图

图6 喷丸齿轮疲劳剥落截面图

众所周知，除了喷丸加工会产生残余应力外，渗碳、淬火、磨削也可以增加残余应力。我们假设喷丸齿轮增加的疲劳寿命应该是由喷丸产生的应力导致的。因此，对两个未经试验的喷丸齿轮和两个标准齿轮进行X射线检测残余应力的试验，来确定这些残余应力的大小。残余应力检测点位于节点附近的表面和内层深处5,13,25,76, 127, and 254μm。材料被硫酸磷酸铬酸电解液电解抛光进行做内部测量，目的是减少可能的在材料处理过程中材料内部的应力分布发生变化。

图7（a）显示了两个修正x射线衍射测量残余应力的深度函数在表面之下应力分布和大小，使用的齿轮为非喷丸齿轮。磨削产生的高压缩应力在表面深度非常浅,对齿轮的表面耐久性影响很小。渗碳和淬火产生的压应力的较小,深度更深。这个压缩残余应力对表面疲劳和弯曲疲劳寿命有一定的有益影响。

图7（b）显示了喷丸齿轮的两条X射线测量残余应力的深度曲线图。由磨削产生的高的表面应力变小。由于喷丸的作用，使齿轮在表面下1.3μm出出现一个拐点值为最大应力点，在更深处的抗压应力由于此处理也在增加。正是由于在更深处增加的压应力，对表面疲劳寿命起主要作用。最大压应力所在的深度为178μm。

图7喷丸和非喷丸齿轮主要残余应力对比