第7章疲劳磨损
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金属磨损和接触疲劳
九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
20
11三.4、.3 腐腐蚀蚀磨磨损损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成 的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上， 可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。
各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。摩擦状态下氧化反 应速反比未受变形时的速度快。
第7章 金属磨损和接触疲劳
材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
2
▪任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而 产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损， 将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了 零件的使用寿命。 本章主要内容： ▪摩擦磨损形式及磨损机理； ▪影响磨损速率的因素； ▪控制磨损的途径； ▪接触疲劳类型及破坏机理； ▪影响接触疲劳抗力的因素。
▪转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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▪ 2.磨损量的估算
V KFlt KFlt
9 sc
H
K 磨屑形成几率
F 作用于表面的法向力
lt 总滑动距离
系数
H 材料硬度（较软的一方的硬度）
▪粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软 方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比，而与表观接 触面积无关。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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§7.3 磨损实验方法
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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11三.4、.3 腐腐蚀蚀磨磨损损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成 的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上， 可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。
各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。摩擦状态下氧化反 应速反比未受变形时的速度快。
第7章 金属磨损和接触疲劳
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
2
▪任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而 产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损， 将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了 零件的使用寿命。 本章主要内容： ▪摩擦磨损形式及磨损机理； ▪影响磨损速率的因素； ▪控制磨损的途径； ▪接触疲劳类型及破坏机理； ▪影响接触疲劳抗力的因素。
▪转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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▪ 2.磨损量的估算
V KFlt KFlt
9 sc
H
K 磨屑形成几率
F 作用于表面的法向力
lt 总滑动距离
系数
H 材料硬度（较软的一方的硬度）
▪粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软 方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比，而与表观接 触面积无关。
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§7.3 磨损实验方法
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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第七章压力容器的疲劳、断裂、蠕变
制造中形成的焊接缺馅，特别是裂纹性缺陷。包括焊接中 因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊 接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别愈高，或厚 度愈厚，愈易产生焊接裂纹。
使用中形成的裂纹，包括腐蚀裂纹，特别是应力腐蚀裂纹， 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
低应力脆断不仅在压力容器上发生，在船只、桥梁及其它 焊接结构上也大量发生过低应力脆断事故，这引起工程界 与科学界的重视—发展了断裂力学。
以一个频繁开停,及工作压力交替的在零和 pmax 范围内工作的厚壁圆筒为例,说明利用疲劳设计
曲线计算容器寿命的步骤。
(1)求取在工作压力作用下，危险点的应力。 (2)求取应力循环中的最大应力和最小应力。 (3)计算交变应力幅
Sa
1 2
r 0
1 2
r
(4)利用疲劳设计曲线，查出循环次数Nf
e 2 2E
Basquin方程
e 2
f' E
2N f
b
图7-3
f '
2E
2N f
b f ' 2N f
c
等号右边第一项和第二项分别是总应变幅的弹 性分量和塑性分量。
虚拟应力幅 Sa
Sa
E
1 2
t
1 2
E t
当温度低于蠕变范围时，在低循环区域中，应
变与破环次数Nf 之间存在着如下近似关系
(3)在受压容器上距离在 2 RS 以内(R一容器的平均半径， S一壁厚)的任意两点间的金属温差变化的有效次数。
(4)部件焊缝两侧的材料具有不同温度膨胀系数 1 与 2 ， 在 (1 2 )t 0.0003时4 的温度变化次数(——操作温度范围oC)。
五、疲劳分析的其它问题
使用中形成的裂纹，包括腐蚀裂纹，特别是应力腐蚀裂纹， 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
低应力脆断不仅在压力容器上发生，在船只、桥梁及其它 焊接结构上也大量发生过低应力脆断事故，这引起工程界 与科学界的重视—发展了断裂力学。
以一个频繁开停,及工作压力交替的在零和 pmax 范围内工作的厚壁圆筒为例,说明利用疲劳设计
曲线计算容器寿命的步骤。
(1)求取在工作压力作用下，危险点的应力。 (2)求取应力循环中的最大应力和最小应力。 (3)计算交变应力幅
Sa
1 2
r 0
1 2
r
(4)利用疲劳设计曲线，查出循环次数Nf
e 2 2E
Basquin方程
e 2
f' E
2N f
b
图7-3
f '
2E
2N f
b f ' 2N f
c
等号右边第一项和第二项分别是总应变幅的弹 性分量和塑性分量。
虚拟应力幅 Sa
Sa
E
1 2
t
1 2
E t
当温度低于蠕变范围时，在低循环区域中，应
变与破环次数Nf 之间存在着如下近似关系
(3)在受压容器上距离在 2 RS 以内(R一容器的平均半径， S一壁厚)的任意两点间的金属温差变化的有效次数。
(4)部件焊缝两侧的材料具有不同温度膨胀系数 1 与 2 ， 在 (1 2 )t 0.0003时4 的温度变化次数(——操作温度范围oC)。
五、疲劳分析的其它问题
摩擦学原理第7章
19
❖磨损研究的系统性
第7章 系统
磨损是对复杂的摩擦学系统 进行的。最简单的摩擦学系 统也包括有两个相对运动的 接触表面，各自的材质、原 始表面形貌、运动方式、载 荷、速度、环境介质等都将 影响磨损结果。
实际磨损工况则要复杂得多。因此前面所提到的失效模式 也往往不是单一的，而是多因素交叉结合造成的多种失效模 式的综合结果。
X
M1
1
Y
M2
2
i0 T
0 1/i
上述分析表明，理想的摩擦学系统的静态状况是摩擦和磨
损的损失很小，可以忽略不计，这时输入到输出的转换完全
是自由的，无损失的，而系统的结构S＝{A，P，R}不变化，
不会影响输入—输出关系的功能。
11
（3）功能——动态系统
第7章 系统
下图表示动态时的摩擦学系统。在这种情况下，首先是输 入同样转换成输出，其次是系统的功能和结构借助于摩擦和 磨损机构(其特征是“摩擦学工序”)来影响。即摩擦和磨损 过程既可以改变系统的结构，导致不需要的“损失”——输 出，也可以影响系统的功能，最后完全丧失功能。
21
❖磨损失效分析处经验性阶段
第7章 系统
目前，系统分析中对磨损各组元的参数分析、计算仍是 十分困难。因此对实际磨损零件进行有效的失效分析是当前 磨损失效分析工作的重点。即便如此，也仍有赖于经验积累。 如分析零件磨损时掉落的碎屑，这些碎屑可视为微观区域断 裂的结果，断裂方式可以是韧性断裂、疲劳，也可以是脆性 断裂，同时伴随不同程度和一定范围的塑性变形。再说磨损 失效有多种形式，可以因密封失效、表面粗糙增加、各种原 因的损伤累积等造成，也可以是磨损不直接造成失效，但却 是后期失效的起因。
(2)摩擦引起的能量损失，有可能变成熵的输出。 (3)磨损引起的材料消耗。 借助于摩擦学系统数据表的形式来整理摩擦和磨损试验的 有用数据具有一定优越性。戴熊杰教授的《摩擦学》书中给 出一个应用实例。
机电设备评估基础第七章机器设备的诊断检验与鉴定练习题含解析14版 (2)
第七章机器设备的诊断检验与鉴定一、单项选择题1、故障程度尚不严重，可勉强“带病”运行的，称为（）。
A、早期故障B、一般功能性故障C、严重故障D、晚期故障2、（）是对机器设备进行状态监测，根据机器无故障及机器性能的劣化程度决定是否进行维修。
A、状态维修B、预防维修C、日常维修D、事后维修3、描述故障的特征参量有直接特征参量和间接特征参量。
下列参量中，属于直接特征参量的是（）。
A、温度B、裂纹长度C、震动幅度D、噪声强度4、下列描述设备故障的特征参量中，（）为设备的输出参数。
A、设备运行中的输入、输出关系B、设备零部件的损伤量C、设备运行中产生的振动D、设备运行中的声音5、设备故障诊断过程可划分三个阶段，即；状态监测、分析诊断和治理预防，其中（）属于分析诊断阶段。
A、信号处理系统B、停机检修C、状态识别D、巡回监测6、下列属于强度诊断技术的状态检测参数的是（）。
A、变形B、瞬态振动C、扭矩D、功率7、下列叙述中，正确的是（）。
A、故障诊断的任务就是判断设备是否发生了故障B、状态检测就是故障诊断C、用间接特征参量进行故障诊断可在设备不做任何拆卸的情况下进行D、用直接特征参量进行故障诊断可判断故障的部位及原因8、（）是振动强度的标志。
A、振幅B、位移C、频率D、相位9、下列关于压电式和磁电式两种测振传感器的说法中，正确的是（）。
（2010年真题）A、两种测振传感器都有机械运动元件B、压电式测振传感器有机械运动元件，磁电式测振传感器没有机械运动元件C、压电式测振传感器没有机械运动元件，磁电式测振传感器有机械运动元件D、两种测振传感器都没有机械运动元件10、测量汽轮机、压缩机主轴的径向振动以及旋转体转速的测量，经常采用的是（）传感器。
A、压电式加速度传感器B、磁电式速度传感器C、电涡流位移传感器D、频谱分析仪11、按照ISO-2372 标准的振动总值法判断异常振动时，采用的测量值为（）的均方根值。
A、振动位移B、振动速度C、振动加速度D、振动幅度12、专门用于滚动轴承的磨损和损伤的诊断方法是（）。
第七章金属磨损和接触疲劳详解
随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一 方金属表面，然后脱落形成磨屑。
一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
9/30/2020
7
右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况，
此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上，
软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动，
在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触பைடு நூலகம்处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。
磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，塑性变形和疲 劳破坏作用或脆性断裂的结果， 还可能是它们综合作用的反映， 而以某一种损害为主。
在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但 达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。
摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(1) 摩擦副配对材料的选择
基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性 小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属 等配对。
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二、磨粒磨损
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 面存在坚硬的细微突起，或 者在接触面之间存在着硬质 粒子时所产生的一种磨损。
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13
主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。
在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。
一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
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右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况，
此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上，
软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动，
在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触பைடு நூலகம்处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。
磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，塑性变形和疲 劳破坏作用或脆性断裂的结果， 还可能是它们综合作用的反映， 而以某一种损害为主。
在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但 达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。
摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(1) 摩擦副配对材料的选择
基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性 小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属 等配对。
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二、磨粒磨损
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 面存在坚硬的细微突起，或 者在接触面之间存在着硬质 粒子时所产生的一种磨损。
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主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。
在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。
第七章金属磨损和接触疲劳
第七章金属磨损和接触疲劳机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动＋滑动，都会产生摩擦，引起磨损。
如:轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。
有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。
磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。
据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/3～1/2，大约80％的机件失效是磨损引起的。
汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的最主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。
因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。
第一节磨损概念一、摩擦与磨损现象1、摩擦两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。
这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力。
最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=μN，式中μ称为摩擦系数。
后来发现这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。
摩擦力来源于两个方面：①由于微观表面凸凹不平，实际接触面积极少(大致可在1/10000～1/10的范围内变化)，这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；②由于微观表面凸凹不平，导致一部分阻止另一部分运动。
要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。
用来克服摩擦力所做的功一般都是无用功，在机械运动中常以热的形式散发出去，使机械效率降低。
减小摩擦偶件的摩擦系数，可以降低摩擦力，即可以保证机械效率，又可以减少机件磨损。
而要求增加摩擦力的情况也很多，在某些情况下却要求尽可能增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器等。
材料力学性能-第七章-金属的磨损(1)
一、粘着磨损
1.定义与特点：粘着磨损又称咬合磨损，是在 滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小 (1m/s)时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副 表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接 触应力超过实际接触点的屈服强度而产生的一 种磨损。
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
图7-2 粘着磨损表面损伤形貌
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
由于从较软一方金属材料的表面脱离下来的 碎屑不一定全部成为磨屑，有时碎屑可能仍附于 金属表面上，因此，磨屑形成有个几率问题，设 此几率为K，则单位滑动距离内的磨损体积为：
V l
K
N
d 3
12
··················
式中：V－磨损体积；l－滑动距离；K－磨屑形成几率； d－磨屑直径
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
图7-3中所示的粘着磨损过程是粘着点强
度比摩擦副一方金属强度高的情况，此时常在
较软一方本体内产生剪断，其碎片则转移到较
硬一方金属上，软方金属在硬方金属表面逐步
积累最终使不同金属的摩擦副滑动成为相同金
属间的滑动，故磨损量较大，表面较粗糙，甚
至可能产生咬死现象，铅基合金与钢之间的滑
粘附一层很薄的转移膜并伴有化学成分变化，这
是粘着磨损的重要特征。
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
分三个阶段：
接触面凸起因塑性变形被
碾平，并在接触面之间形成
剪断强度高的分界面；
❖摩擦副一方金属远离分界
面内断裂，从该金属上脱落
并转移到另一方金属表面；
转移的碎屑脱落下来形成
磨屑。
第7章--流体润滑理论
)
压力无量纲方程
p* h02 p , h* h
6UB
h0
K h1 h0
无量纲压力方程为:
P*
1 K
1
h
*
(K
K 1 2)h *2
1 K
2
最大无量纲压力p *
K
4(K 1)(K 2)
压力分布
0.04 0.03
K=1
0.02 0.01 0.00
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
p 3U dh ( y2 L2 )(当 L 0.25时, 计算结果比较准确.)
h3 dx
4B
四、流体静压润滑
• 流体静压润滑的油膜是由外界通入压力流体而 强制形成的.
• 优点: • 1．静压承轴利用外界供给压力油，形成承
载油膜密封于完全液体摩擦状态，f很小，起 动力矩小，效率高。 • 2．静压轴承不磨损，寿命长，长期保持精 度。 • 3．能在低速和重载下工作。
弹性变形形成流体动力油膜
流体润滑
楔形油膜
弹性流体润滑（EHL）
挤压油膜
润滑状态过程
STRIBECK根据滑动轴承与滚动轴承的实际测量，研 究了随着工况条件的改变，润滑状态的过度过程。 为了消除温度对粘度的影响，采用25℃ 作为计算摩 擦因数的依据，将润滑状态分为三个区域。
流体润滑: 油膜h>Rq，摩擦特性完全取决于液体的体 相性能，μ与流体的粘度有关。气体润滑、磁浮。
Qc p
1
5
4.11
06
189.5 8 8 01
03
1.8
8
0.7
4C
五、流体动压润滑
5.1推力轴承的设计
结构:瓦块固定, 转子旋转, 并承担载荷。瓦块开有油 槽, 斜表面, 转子运动将油 带入收敛楔形产生动压润 滑。
材料力学性能第七章金属的磨损ppt课件
➢形态特征：小针状或痘状凹坑， 45 贝壳状
➢ 根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：
➢ (1) 麻点剥落（点蚀）
➢ (2) 浅层剥落
➢
(3) 深层剥落（表面压碎）
46
2. 接触应力
➢ 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，也称为赫兹应力。
➢ 线接触（齿轮）与点接触（滚珠轴承）
上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出， 当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量 和摩擦系数都急剧增加。
17
润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润 滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨 损能力。
油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件 下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表 面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。
磨损是一个复杂的系统工程
6
机件正常运行的磨损过程
（a）磨损量与 时间或行程关系曲线；
（b）磨损速率与 时间或行程关系曲线
7
3. 磨损的分类方法
粘着磨损 磨粒磨损
冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损
8
§7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1. 磨损机理 ➢定义：在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速 度较小（钢小于1m/s）时发生的， ➢原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单 位法向载荷很大，σ接触＞σs又称咬合磨损
36
主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
主轴转速示值准确度： ± 2r/min
高温炉温度范围： 室温～ 800℃；
高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度
99.9%以上）的条件下，炉内 氧气含量应能达到1%以下。 最大负荷：
➢ 根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：
➢ (1) 麻点剥落（点蚀）
➢ (2) 浅层剥落
➢
(3) 深层剥落（表面压碎）
46
2. 接触应力
➢ 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，也称为赫兹应力。
➢ 线接触（齿轮）与点接触（滚珠轴承）
上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出， 当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量 和摩擦系数都急剧增加。
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润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润 滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨 损能力。
油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件 下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表 面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。
磨损是一个复杂的系统工程
6
机件正常运行的磨损过程
（a）磨损量与 时间或行程关系曲线；
（b）磨损速率与 时间或行程关系曲线
7
3. 磨损的分类方法
粘着磨损 磨粒磨损
冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损
8
§7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1. 磨损机理 ➢定义：在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速 度较小（钢小于1m/s）时发生的， ➢原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单 位法向载荷很大，σ接触＞σs又称咬合磨损
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主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
主轴转速示值准确度： ± 2r/min
高温炉温度范围： 室温～ 800℃；
高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度
99.9%以上）的条件下，炉内 氧气含量应能达到1%以下。 最大负荷：
压力容器疲劳
J Wdy T
u ds x
J积分的形变功率表达式
J u a
上式u为试件的总变形能 , a为裂纹尺寸 .
J J IC 线弹性与小范围屈服的条件下
J积分判据即为 :
K I2 J E'
J IC
2 K IC E'
三、结构防止断裂的安全评定工程方法
(1)美国ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ篇附录G和 第Ⅺ篇附录A的方法。 (2)欧洲工业结构完整性评定方法SINTAP (3)美国石油学会合乎使用实施方法API579 (4)英国标准含缺陷金属结构的评定方法BS7910。 (5）日本焊接工程学会JWES2805评定方法。 (6 ） 我 国 国 家 标 准 在 用 含 缺 陷 压 力 容 器 安 全 评 定 GB/T19624-2004。 (7）美国电力研究院EPRI弹塑性断裂估算方法。 （8）英国中央电力局CEGB R／H／R6-R3报告方法。
压力容器发生低应力脆断的原因主要是因为焊缝中存在明 显的宏观缺陷。 制造中形成的焊接缺馅，特别是裂纹性缺陷。包括焊接中 因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊 接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别愈高，或厚 度愈厚，愈易产生焊接裂纹。 使用中形成的裂纹，包括腐蚀裂纹，特别是应力腐蚀裂纹， 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
2
2
临界状态时
c K c s s
例7-1 有一试验容器，材料为15MnVR，外径为200mm， 壁厚为6mm，沿轴向有被密封住的穿透型裂纹,其总 长为61.5mm；材料的屈服极限为390MPa， E 2.1 10 MPa，断裂韧度 c =0.08mm。试计算容器开裂 时的压力 p。 c R 解: 将S=6mm， 2002 6 =97mm，a= 612.5 =30.75mm代入鼓 胀效应系数中 30.75 1.9 M 1 1.61
u ds x
J积分的形变功率表达式
J u a
上式u为试件的总变形能 , a为裂纹尺寸 .
J J IC 线弹性与小范围屈服的条件下
J积分判据即为 :
K I2 J E'
J IC
2 K IC E'
三、结构防止断裂的安全评定工程方法
(1)美国ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ篇附录G和 第Ⅺ篇附录A的方法。 (2)欧洲工业结构完整性评定方法SINTAP (3)美国石油学会合乎使用实施方法API579 (4)英国标准含缺陷金属结构的评定方法BS7910。 (5）日本焊接工程学会JWES2805评定方法。 (6 ） 我 国 国 家 标 准 在 用 含 缺 陷 压 力 容 器 安 全 评 定 GB/T19624-2004。 (7）美国电力研究院EPRI弹塑性断裂估算方法。 （8）英国中央电力局CEGB R／H／R6-R3报告方法。
压力容器发生低应力脆断的原因主要是因为焊缝中存在明 显的宏观缺陷。 制造中形成的焊接缺馅，特别是裂纹性缺陷。包括焊接中 因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊 接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别愈高，或厚 度愈厚，愈易产生焊接裂纹。 使用中形成的裂纹，包括腐蚀裂纹，特别是应力腐蚀裂纹， 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
2
2
临界状态时
c K c s s
例7-1 有一试验容器，材料为15MnVR，外径为200mm， 壁厚为6mm，沿轴向有被密封住的穿透型裂纹,其总 长为61.5mm；材料的屈服极限为390MPa， E 2.1 10 MPa，断裂韧度 c =0.08mm。试计算容器开裂 时的压力 p。 c R 解: 将S=6mm， 2002 6 =97mm，a= 612.5 =30.75mm代入鼓 胀效应系数中 30.75 1.9 M 1 1.61
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显著地缩短接触疲劳
寿命，而压缩弯曲应 力的影响取决于它的 数值大小。较小的附 加压缩应力能够增加
疲劳寿命，而大的压
缩弯曲应力将降低疲
劳寿命。
疲劳磨损 杜永平
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，
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。 应力循环速度越 大，表面积聚热量 和温度就越高，使 金属软化而降低机
退火钢和调质钢 点蚀
渗碳钢和淬火钢
鳞剥
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； 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。
疲劳磨损 杜永平
• 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？ 还没有足够的根据
有人曾对冷激铸铁挺杆上106条点蚀裂纹进行 了统计分析，结果表明，大约80%的裂纹是从表 面起源的，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。
疲劳磨损 由S· Way于1935年提出：
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；
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。
第七章 疲劳磨损（Fatigue Wear）
一、概述 1. 定义 零件受交变应力的反复
作用，在零件工作表面或
表面下一定深度处形成疲
劳裂纹，随着裂纹的扩展
与相互连接，造成颗粒从 零件工作表面上脱落，形
成疲劳坑的现象。
疲劳磨损 杜永平
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
疲劳磨损 杜永平
在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触
疲劳寿命高于使用天然油的，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
厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。 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， 无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。 裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此 后，润滑油的粘度对于裂纹扩展起重要影响。
疲劳磨损
裂纹的扩展 与外加应力成45º 角，超 过两三个晶粒后，转向与 应力垂直 与表面成10º ～30º 角 或 平行于表面
杜永平
疲劳磨损
疲劳磨损
杜永平
（2）疲劳极限的差别
整体疲劳存在明显的疲劳极限；
疲劳磨损尚未发现疲劳极限， （3）作用过程的差别 整体疲劳一般只受循环应力的作用；
疲劳磨损 杜永平
—临界剪应力
三、影响疲劳磨损的因素 1. 载荷性质的影响 （1）苏联科学家的试验 短期的高峰载荷周期性
地附加在基本载荷上，不
仅不降低反而提高了接触
疲劳寿命。只有当高峰载
荷作用时间接近循环周期 时间一半时，高峰载荷才 开始降低接触疲劳寿命。
疲劳磨损 杜永平
（2）温诗铸教授的试验 附加拉伸弯曲应力
断裂的一种特殊形式。
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，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 全可以被认为是一种独立的，而且是相当普遍 的磨损形式。
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2. 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 裂纹类型 整体疲劳 裂纹源 表面 表面 或 亚表层
械性能，因而加速
表面的疲劳磨损。
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2. 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，
在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构
成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。
通常增加材料硬度可
以提高抗疲劳磨损能力，
但硬度过高，材料脆性
增加，反而会降低接触
疲劳寿命。
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3. 表面粗糙度的影响
粗糙度值越大，疲劳寿命越 短。 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
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 出现往往构成了宏观点蚀裂纹的 起源，因此，提高表面光洁度有 利于延长疲劳磨损寿命。
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4. 润滑与润滑剂的影响 实验表明：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲 劳能力。 粘度影响疲劳磨损机理的不同观点： 增加润滑剂粘度使弹流油膜增厚，从而减轻粗 糙峰的互相作用； 润滑油中带有水分，加速疲劳裂纹的扩展； 不能解释某些无油滚动 表面吸附了氢原子，可以降低表面能，使裂纹 时不出现接触疲劳，而 在较低应力下扩展； 加入润滑油后迅速发生 在高温下润滑油的分解，会在高应力区造成酸 接触疲劳磨损的现象。 性物质的堆积，降低接触疲劳寿命。
表 滑动 裂纹萌 与滑动方向 高质 面 为主 生在表 成20°~40° 量钢 萌 的摩 面应力 角向表层扩 材 生 擦副 集中源 展，后分叉
疲劳磨损
断 口 光 滑
断 口 粗 糙
萌生时 间短， 扩展速 度慢
萌生时 间长， 扩展速 度快
杜永平
（2）鳞剥（spalling）与点蚀（pitting）磨损
鳞剥 片状 凹坑浅而面积大 点蚀 扇形 凹坑深而面积小
疲劳磨损 杜永平
t
常数
9 max
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。
（4）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、 载荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。
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3. 疲劳磨损的种类
（1）表层萌生与表面萌生疲劳磨损
表 滚动 裂纹萌 平行于表面 一般 层 为主 生在表 扩展，后分 质量 萌 的摩 层应力 叉延伸到表 钢材 生 擦副 集中源 面
根据裂纹的扩展方向分为两种情况：
疲劳磨损 杜永平
（1）裂纹开口迎 向接触点
（2）裂纹开口背 离接触点
疲劳磨损
杜永平
疲劳磨损
杜永平
疲劳磨损
杜永平
疲劳磨损
杜永平
疲劳磨损
杜永平
2. 摩擦温度诱发点蚀理论
疲劳磨损
杜永平
疲劳磨损
杜永平
3. 最大剪应力理论
（1）Hertz 接触理论
max 距表面的位置
滚动点接触：
3
PR
滚动线接触：
PR
裂纹主要发生在
max
处
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（2）位错理论
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
穴的集中形成空洞，最后发展成裂纹。
裂纹产生的判据
2 E 1 2 ( ) D
—表面能＋裂纹扩展到邻
近晶粒的塑性变形功 E —弹性模量 D —平均晶粒直径 —决定于正应力三向性的 常数