接触疲劳课件
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轮齿弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度-(机械设计齿轮传动章节课件2)-2020329
将公式（ 10-3 ）带入公式
（10-8），同时引入载荷系数
KH（见下一页），可得：
=
4 −
3
（公式10-9）
1 ± 1
2
=
1
1 ± 1
1
齿轮传动的计算
上式中：
-接触疲劳强度计算的载荷系数， = ，即PPT一开始提到的4个载荷系数；
载荷分布系数Kβ。
= α
（公式10-2）
齿轮传动的计算
1，使用载荷系数KA
是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。这种附加载荷取决
于原动机和从动机械的特性、联轴器类型以及运动状态等。KA的实用值应针
对设计对象，通过实践确定。
1），原动机包括：电动机、均匀运转的蒸汽机、燃气轮机；蒸汽机、燃气轮机液压装置；
当接触位置连续改变时，显然对于零件上任一点处的接触应力只能在材料许用接触应力的范围内改变，因此接触变应
力是一个脉动循环变应力。在做接触疲劳计算时，极限应力也应是一个脉动循环的极限接触应力。
接触应力也称为赫兹应力，是为了纪念首先解决接触应力计算问题的科学家赫兹（H.Hertz）。
齿轮传动的计算
+用于外啮合
多缸内燃机；单缸内燃机。
2），载荷状态分为：均匀平稳、轻微冲击、中等冲击、严重冲击。
工作状态外在因素越恶劣， KA的取值越大。
齿轮传动的计算
使用载荷系数KA
原动机
载荷状态
工作机器
电动机、均匀运转的
蒸汽机、燃气轮机
蒸汽机、燃气
轮机液压装置
多缸内燃机
单缸内燃机
均匀平稳
发动机、均匀传送的带式输送机或板式输送机、
（10-8），同时引入载荷系数
KH（见下一页），可得：
=
4 −
3
（公式10-9）
1 ± 1
2
=
1
1 ± 1
1
齿轮传动的计算
上式中：
-接触疲劳强度计算的载荷系数， = ，即PPT一开始提到的4个载荷系数；
载荷分布系数Kβ。
= α
（公式10-2）
齿轮传动的计算
1，使用载荷系数KA
是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。这种附加载荷取决
于原动机和从动机械的特性、联轴器类型以及运动状态等。KA的实用值应针
对设计对象，通过实践确定。
1），原动机包括：电动机、均匀运转的蒸汽机、燃气轮机；蒸汽机、燃气轮机液压装置；
当接触位置连续改变时，显然对于零件上任一点处的接触应力只能在材料许用接触应力的范围内改变，因此接触变应
力是一个脉动循环变应力。在做接触疲劳计算时，极限应力也应是一个脉动循环的极限接触应力。
接触应力也称为赫兹应力，是为了纪念首先解决接触应力计算问题的科学家赫兹（H.Hertz）。
齿轮传动的计算
+用于外啮合
多缸内燃机；单缸内燃机。
2），载荷状态分为：均匀平稳、轻微冲击、中等冲击、严重冲击。
工作状态外在因素越恶劣， KA的取值越大。
齿轮传动的计算
使用载荷系数KA
原动机
载荷状态
工作机器
电动机、均匀运转的
蒸汽机、燃气轮机
蒸汽机、燃气
轮机液压装置
多缸内燃机
单缸内燃机
均匀平稳
发动机、均匀传送的带式输送机或板式输送机、
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。
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
12
▪ 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。
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
21
§7.3 磨损实验方法
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
22
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
12
▪ 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
21
§7.3 磨损实验方法
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
22
C1-第五节 疲劳22页PPT
例如：锻锤的锤杆、锻模、汽缸盖螺栓；齿轮 等也有一些冲击载荷。
在绝大多数情况下，机件承受的冲击载荷造成 冲击疲劳断裂而不是一次冲击断裂。对这类机件应 主要考虑强度问题，适当提高塑性和韧性能提高其 使用寿命。
冲击疲劳具有以下特点：
1、与低周疲劳相似，冲击能量高时，材料的 冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时， 冲击疲劳抗力则主要取决于强度。
定义：
qf
Kf Kt
1 1
其中：Kt——理论应力集中系数，可从有关手册中查到； Kf——疲劳缺口应力集中系数，
为光滑试样的疲劳极限与缺口试样的疲劳极限之比，即Kf= -1/-1N。
qf值一般在0～1之间变化， 若-1＝ -1N，qf=0，材料对缺口不敏感。若qf=1，材料对缺口很 敏感。
在高周疲劳时，大多数金属对缺口十分敏感； 但在低周疲劳时，它们对缺口不太敏感，因为缺口根部一部分区 域已处于塑性区，应力集中降低。
显微组织：用细化晶粒的方法，可以提高材料的疲劳 强度。
非金属夹杂物和冶金缺陷：减少夹杂物的数量及尺寸都 能有效地提高疲劳强度。
小结
• 疲劳是金属材料在交变载荷作用下的失效形式。 • 疲劳的特点：低应力循环延时断裂；疲劳断裂是脆性
疲劳的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂
（2）疲劳断裂是脆性断裂 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感 （4）疲劳断裂也是裂纹萌生、扩展和最终断裂的过
程。在断口上有疲劳源区、裂纹扩展区和终断 区。疲劳源往往在表面及缺陷处。
疲劳裂纹 扩展区
疲劳源
贝纹线
裂纹扩展 方向
终断区
二、疲劳极限
1、疲劳曲线及疲劳极限
疲劳极限与静强度之间存在较好的对应关系
在绝大多数情况下，机件承受的冲击载荷造成 冲击疲劳断裂而不是一次冲击断裂。对这类机件应 主要考虑强度问题，适当提高塑性和韧性能提高其 使用寿命。
冲击疲劳具有以下特点：
1、与低周疲劳相似，冲击能量高时，材料的 冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时， 冲击疲劳抗力则主要取决于强度。
定义：
qf
Kf Kt
1 1
其中：Kt——理论应力集中系数，可从有关手册中查到； Kf——疲劳缺口应力集中系数，
为光滑试样的疲劳极限与缺口试样的疲劳极限之比，即Kf= -1/-1N。
qf值一般在0～1之间变化， 若-1＝ -1N，qf=0，材料对缺口不敏感。若qf=1，材料对缺口很 敏感。
在高周疲劳时，大多数金属对缺口十分敏感； 但在低周疲劳时，它们对缺口不太敏感，因为缺口根部一部分区 域已处于塑性区，应力集中降低。
显微组织：用细化晶粒的方法，可以提高材料的疲劳 强度。
非金属夹杂物和冶金缺陷：减少夹杂物的数量及尺寸都 能有效地提高疲劳强度。
小结
• 疲劳是金属材料在交变载荷作用下的失效形式。 • 疲劳的特点：低应力循环延时断裂；疲劳断裂是脆性
疲劳的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂
（2）疲劳断裂是脆性断裂 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感 （4）疲劳断裂也是裂纹萌生、扩展和最终断裂的过
程。在断口上有疲劳源区、裂纹扩展区和终断 区。疲劳源往往在表面及缺陷处。
疲劳裂纹 扩展区
疲劳源
贝纹线
裂纹扩展 方向
终断区
二、疲劳极限
1、疲劳曲线及疲劳极限
疲劳极限与静强度之间存在较好的对应关系
Chapter7金属的摩擦与接触疲劳详解
粘着磨损过程示意图
3 磨损量的估算
粘着磨损量正比于法向载荷 F ，滑动
距离 L ，反比于软材料压缩屈服强度或硬
度
KFlt KFlt V 9 sc H KFlt V 9 sc
4 磨损表面特征 大小不等的结疤。
5 降低粘着磨损的措施： 磨损局部的变形 － 粘着 - 断裂过程 故：降低变形，减少粘着 (1) 选择合适的摩擦副材料 a、强、硬度高则不易粘着； b 、互溶性小的材料不易粘着：晶格类型不 同、晶格间距相差大、电化学性质相差大的材 料组成摩擦件，粘着倾向小； 例：金属－非金属摩擦副；化合物；多相金 属
尖锐的磨粒或材料脆性较高时损示意图
3、磨损量的估算 可证明，磨损量可以用下式表示：
F tg F tg V =K 3 sc H
可见： 正比于法向载荷，摩擦距离(硬度)-1。 同时与硬材料凸出部分尖端或磨粒的 形状有关。
4、磨损表面特征 犁沟、擦伤。
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
提高抗力措施：
(1) 提高机件表面的塑性变形抗力；
(2) 提高零件表面光洁度，使 F 降低，表面
折叠几率降低；
(3) 提高润滑油的粘度，降低油楔作用。
2、浅层剥落 ——裂纹起源于次表层的接触疲劳损伤 深度：0.2－0.4mm。 浅层剥落在次表层（最大切应力处）： 0.786b处； 0.5b处； 实际多在0.5－0.7b处）。
5、降低磨粒磨损的措施
（1）影响因素
材料硬度高，磨损量小，耐磨性高；
但过高反而不利——韧度低
还与材料的韧性有关。
（2）降低磨粒磨损的措施 P145－147
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
2021
14
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
2021
15
2021
16
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
2021
17
图5-1 疲劳断口示意图
2021
18
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
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39
图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
2021
40
图5-11 锯齿状断口
2021
41
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
2021
24
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。
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：
疲劳试验 ppt课件
一疲劳曲线1对称循环疲劳曲线n曲线p96图531有水平段的疲劳曲线钢2无水平段的疲劳曲线有色金属不锈钢等三疲劳曲线和疲劳极限二疲劳极限1对称疲劳极限97循环载荷r1
第四章 疲劳试验
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。
疲劳属低应力循环延时断裂。 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指 标、影响因素等，就具有重要的意义。
（二）疲劳极限
1、对称疲劳极限 97 循环载荷，r=-1。 σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）Leabharlann 2、不对称循环疲劳极限（σr）
利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各 种不对称循环疲劳极限。
或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图
y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb
铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1>σ-1p>τ-1
三、疲劳极限与静强度之间的关系
钢：σ-1p=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb）
铸铁：σ-1p=0.4σb σ-1=0.45σb
铝合金：σ-1p=σb/6 +7.5(MPa) σ-1p=σb/6 -7.5(MPa)
第二节 疲劳抗力指标及其测定
一、疲劳极限的测定
第一步 采用升降法测定条件疲劳极限， 第二步 用成组法测定σ一N曲线有限寿命段上各 点的数据， 第三步 绘制σ一N曲线。
二、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳
极限之间的关系： 钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1
第四章 疲劳试验
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。
疲劳属低应力循环延时断裂。 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指 标、影响因素等，就具有重要的意义。
（二）疲劳极限
1、对称疲劳极限 97 循环载荷，r=-1。 σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）Leabharlann 2、不对称循环疲劳极限（σr）
利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各 种不对称循环疲劳极限。
或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图
y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb
铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1>σ-1p>τ-1
三、疲劳极限与静强度之间的关系
钢：σ-1p=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb）
铸铁：σ-1p=0.4σb σ-1=0.45σb
铝合金：σ-1p=σb/6 +7.5(MPa) σ-1p=σb/6 -7.5(MPa)
第二节 疲劳抗力指标及其测定
一、疲劳极限的测定
第一步 采用升降法测定条件疲劳极限， 第二步 用成组法测定σ一N曲线有限寿命段上各 点的数据， 第三步 绘制σ一N曲线。
二、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳
极限之间的关系： 钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1
接触疲劳 PPT课件
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。
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。
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。
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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。
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。
图8 JPM-1型试验机原理图
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。
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。
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
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
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2019/9/18
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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
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
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
侧与表面约成45 侧垂直于表面。
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。