4-材料磨损与耐磨材料(第3章疲劳磨损课件)4详解

1§3.4疲劳磨损§3.4.1疲劳磨损的实质与特点§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别§3.4.3疲劳磨损的基本原理§3.4.4疲劳磨损的影响因素2§3.4.1疲劳磨损的实质与特点——也被称为接触疲劳磨损，是在循环载荷作用下产生的表面失效形式，其过程包括裂纹的萌生、扩展及最后断裂，其典型特征为点蚀及剥落。与整体的疲劳断裂有很多相似之处，可以看作材料疲劳断裂的一种特殊形式。3疲劳磨损是一种最普遍的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的零件表面上。如滚动轴承、齿轮、车轴、钢轨、轧辊等。4§3.4.1疲劳磨损的实质与特点从本质看，接触疲劳符合磨损的一般规律，即发生接触、摩擦、造成表面累计损伤并形成磨屑，特别是不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其它磨损形式中，也都发现了表面疲劳过程，因此疲劳磨损完全可以被认为是一种独立的，而且是相当普遍的磨损形式。疲劳磨损定义：当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展。最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。5§3.4疲劳磨损§3.4.1疲劳磨损的实质与特点§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别§3.4.3疲劳磨损的基本原理§3.4.4疲劳磨损的影响因素疲劳磨损与整体疲劳的区别整体磨损6裂纹萌生和扩展方式疲劳寿命环境复杂程度计算和追踪复杂性78§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别区别一：裂纹源的萌生位置整体疲劳疲劳磨损表面亚表层裂纹扩展的途径和方向9§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别表面沿与外加应力成45°角的方向扩展，超过两三个晶粒后，即转向与应力垂直的方向整体疲劳平行于表面，或是与表面成一定角度(约为10~30°)，且只限于在表面层内扩展。疲劳磨损10§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别其二：疲劳寿命整体疲劳中，一般都存在明显的疲劳极限，即对某一种材料都有一个应力极限，低于该极限，疲劳寿命可认为是无限的。疲劳磨损尚未发现这样的疲劳极限，零件的寿命波动很大。有经验公式可以表示疲劳失效时间t与最大接触应力σm之间的数值关系：9m/t常数在点接触或线接触情况下，由于接触应力可以很高，所以接触疲劳寿命要比整体疲劳低得多。11§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别其三：环境复杂性疲劳磨损中，除循环应力作用外，材料还经受复杂的摩擦过程，可引起表面层一系列的物理化学变化（如残余应力、组织结构、缺陷特征、表面温度、塑性变形以及各种机械及物理性能变化等）。这使疲劳磨损比整体疲劳处于更恶劣的工况，而且过程非常复杂。12§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别其四：计算和评价复杂性接触应力的计算比起整体疲劳断裂的应力强度因子的计算更复杂，由于一系列的因素都会影响根据理想光滑表面接触的假设条件(如材料是均匀的、各向同性的、只发生弹性变形等)计算出来的结果。这些因素包括：材料的不均匀性、材料表面的特征、载荷分布及接触的不连续性、油膜建立情况、切向力的大小等等。13§3.4疲劳磨损§3.4.1疲劳磨损的实质§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别§3.4.3疲劳磨损的基本原理§3.4.4疲劳磨损的影响因素14§3.4.3疲劳磨损的基本原理疲劳磨损表面接触处应力的性质和数值变化趋势，可根据赫兹理论判定。滚动接触时，在交变应力的影响下，裂纹容易在这里形核。若除滚动接触还存在滑动接触，破坏位置就逐渐移向表面，因为纯滑动时最大应力应在表面处。15§3.4.3疲劳磨损的基本原理点接触线接触最大剪应力是发生在离表面一定距离处。其距离点接触是0.47a对（线接触）是0.78aa为接触区宽度的1/2。点蚀与剥落是机器零件表面上接触疲劳磨损的典型特征。1617§3.4.3疲劳磨损的基本原理一、点蚀点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展(与表面成l0~30°角)，最后裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即成点蚀，因此单个的点蚀坑的表面形貌常表现为“扇形”或“贝壳形”。当点蚀充分发展后，这种形貌特征已难于辨别。齿轮节圆上形成的点蚀发动机冷激铸铁挺杆端面上的点蚀18§3.4.3疲劳磨损的基本原理1.早期点蚀理论——S．Way模型（于1935年提出）：1）发生点蚀的必要条件：摩擦副之间有油润滑；2）如果润滑油的粘度高于某一定值，点蚀将不会发生；3）光滑的接触表面不易发生点蚀；4)热处理条件对于点蚀有显著的影响。19§3.4.3疲劳磨损的基本原理点蚀过程：（1）裂纹的开口迎向接触点：①由于接触压力产生的高压油波以极高的速度进入裂纹，对裂纹壁产生强大液体冲击，同时配对的接触表面又可能将裂纹口封闭，使裂纹内的油压进一步增高，从而使裂纹向纵深扩展。点蚀裂纹扩展示意图(裂纹方向迎向接触点)20§3.4.3疲劳磨损的基本原理②裂纹的缝隙越大，作用在裂纹壁上的压力也越大。③裂纹与表面之间的材料犹如一个悬臂梁承受弯曲载荷，当其根部强度不够时就将发生折断，在表面上形成点蚀坑。点蚀裂纹扩展示意图(裂纹方向迎向接触点)21§3.4.3疲劳磨损的基本原理（2）裂纹方向背离接触点：当裂纹开口逐渐进入接触区，由于开口没有被封闭，润滑油被挤出，因此这种裂纹不会扩展，也不会发展成为点蚀。点蚀裂纹扩展示意图(裂纹方向背向接触点)22§3.4.3疲劳磨损的基本原理2.早期点蚀理论——摩擦温度诱发理论：当两体互相接触时，由于表面粗糙不平，使局部接触区压力很大，表面层发生塑性变形，因此接触区处于瞬时高温状态。在温度变化和高压作用下，接触区的金属组织逐渐发生变化。同时产生局部内应力，使表面层金属组织结构变化，并在表面层引起很大的压应力。23§3.4.3疲劳磨损的基本原理当压应力超过临界值时，表面层丧失稳定性而隆起。隆起现象只有在材料具有绝对均一性的条件下才能实现，而实际材料往往不均匀，结果在表面层可能出现裂纹或剪断，然后再受到润滑油的作用便成为点蚀。图(b)表面层丧失稳定性而隆起；图(c)表面层形成裂纹；图(d)表面层发生剪断。图(a)基体金属形成特殊结构表面层持续压力丧失稳定性变形突起局部不均匀裂纹继续作用剪断24§3.4.3疲劳磨损的基本原理点蚀形成过程25§3.4.3疲劳磨损的基本原理3.新的认识——点蚀裂纹主要发生在接触表面下的最大剪应力处。不同运动方式下剪应力分布理论解释？？26§3.4.3疲劳磨损的基本原理位错理论解释。。。。。。位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。位错是啥？？？27§3.4.3疲劳磨损的基本原理TEM观察：原始状态材料中的位错密度很低，随循环次数增加，位错密度增加，并且堆积形成亚晶界（如图）可认为点蚀裂纹的形成与亚结构有关，裂纹从表面沿亚晶界开始，然后向内扩展。(a)N=0×68000(b)N=2×104×68000(c)N=2×106×13600由于剪应力作用，亚表层内将产生位错运动，位错在非金属夹杂物或晶界等障碍处形成堆集。因为在滚动过程中，剪应力方向反复变化，所以位错往复运动，由于位错的互相交割产生空穴，空穴聚集形成空洞，最后发展成裂纹。裂纹产生后，在载荷的继续作用下，裂纹扩展，最后折向表面形成点蚀。2829§3.4.3疲劳磨损的基本原理SEM观察：30§3.4.3疲劳磨损的基本原理小结：点蚀裂纹发生在接触表面下的最大剪应力处。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。31§3.4.3疲劳磨损的基本原理二、剥落本质同点蚀。特征有区别：剥落裂纹一般起源于亚表层内部较深的层次(如可达几百个微米)，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑。滚动轴承内环表面的剥落32剥层理论—20世纪70年代，N.P.Suh提出：（“Delaminationtheory”）接触塑性变形硬度梯度犁削应力更大的塑性变形裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展剥落33§3.4.3疲劳磨损的基本原理１.当两滑动表面相互接触时，软表面上的微凸体很容易变形，并在反复应力下发生断裂,形成磨屑，从而使之变成一个较光滑的表面。即两个硬度有差别的表面发生滑动接触后，其接触模型可以简化为一个粗糙表面与一个理想光滑表面相接触。在硬表面微凸体的作用下，软表面层将发生整体的塑性变形。两个滑动表面的接触模型(a)物理模型；(b)简化模型；(c)单个微凸体接触模型34§3.4.3疲劳磨损的基本原理２.塑性变形引起位错的增殖与运动。但在最靠近表面的一个薄层里(约几到几十个微米的数量级)，位错密度很低，形成一个非加工硬化层，超过这层，塑性变形将引起亚表层的加工硬化，离表面越远硬化程度越低，因此在整个变形层中形成了一个先低后高再降低的硬度梯度。铝表面变形层的硬度梯度35§3.4.3疲劳磨损的基本原理3.在法向载荷作用下，硬的微凸体很容易刺入软金属表面，使之发生变形和位移，产生较大的犁削应力，这是滑动表面摩擦力的主要分量。由摩擦力所传递的切向应力使表面层发生巨大的塑性变形。如使白口铸铁中的脆性渗碳体都发生了弯折（见右图）。白口铸铁表面层的塑性变形36§3.4.3疲劳磨损的基本原理4.当亚表层的塑性变形继续发展，在离表面一定深度的位置将萌生裂纹。裂纹源常出现在第二相质点与基体金属的界面，当界面的应力超过其结合强度时，就会引起开裂。裂纹在亚表层内萌生5.塑性变形进一步发展，裂纹发生扩展。按照上述裂纹萌生的分析可知，在硬质点周围产生裂纹的过程只占很短的时间，而裂纹的扩展阶段往往是材料磨损速率的控制因素。37§3.4.3疲劳磨损的基本原理6.当裂纹最后折向表面(发生剪切)，裂纹上的材料将变成薄片状的磨屑剥落下来。磨屑的厚度（微米量级）决定于载荷状态及材料性能。故有“剥层”之称。即将剥落和已经剥落的薄片状磨屑38§3.4疲劳磨损§3.4.1疲劳磨损的实质§3.4.2疲劳磨损与整体疲劳的区别§3.4.3疲劳磨损的基本原理§3.4.4疲劳磨损的影响因素39§3.4.4疲劳磨损的影响因素(1)材料组织性能的影响纯度减少夹杂物减少气孔和缺陷组织特征形成有利于减摩耐磨的组织Why？？？？Forexample40§3.4.4疲劳磨损的影响因素残余奥氏体增加可增大接触面积，使接触应力下降。发生形变强化和应变诱发马氏体相变。提高表面残余压应力阻碍疲劳裂纹的萌生与扩展。问题：试从摩擦学角度，解释奥氏体量决定疲劳极限的原因？41§3.4.4疲劳磨损的影响因素(2)材料硬度的影响材料硬度对疲劳磨损有重要影响。在疲劳磨损中，裂纹的产生是关键。材料硬度越高，裂纹越难以形成，疲劳寿命越长。这里所指硬度主要是加工硬化的硬度。因为在滚动或滑动接触过程中，材料表面会发生不同程度的塑性变形与加工硬化，即循环硬化使表面硬度提高，而不是原始硬度，是在工作中的实际硬度。42§3.4.4疲劳磨损的影响因素(3)载荷的影响载荷是疲劳磨损寿命的主要原因之一。一般认为球轴承的寿命与载荷的立方成正比，即N=KP3式中N—球轴承的寿命,即循环次数P—外加载荷43§3.4.4疲劳磨损的影响因素(4)润滑油的影响疲劳磨损寿命一般都是随润滑油粘度的提高而增加。由于润滑油粘度随压力而变。因此在接触区的实际粘度比常压下的粘度更重要。在滚动体的线或点的接触区内，油的压力接近1000MPa。一般油在常温、常压的条件下，即使具有相同的黏度，但在超高压的条件下，由于压黏特性不同，油的黏度差别较大。44§3.4.4疲劳磨损的影响因素（4）环境的影响周围的环境，如空气中的水、海水中的盐、润滑油中有腐蚀性的添加剂等对材料的疲劳强度有显著的影响。在各种环境中材料的疲劳强度称为环境强度。同样，环境对疲劳磨损也有明显的影响。如润滑油中的水分会促进