金属接触疲劳
金属磨损和接触疲劳
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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▪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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▪ 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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7 金属磨损和接触疲劳
7.3 磨损试验方法
实物磨损试验:以实物零件在机器实际工作条件 下进行试验,或者用实物零件在模拟机械使用条 件的试验台上进行试验.结果可靠性高,但时间 长,难于掌握和分析. 试样磨损试验:将欲试材料制成规定试样,在规 定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验. 时间短,成本低,易掌握和控制,但可靠性不高. 通常用秤量法或测长法确定磨损量.
氧化磨损
过程:氧化膜形成又除去,机件表面逐渐 被磨损. 宏观特征:在摩擦面上沿滑动方向呈匀细 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe2O3或为 灰黑色Fe 灰黑色Fe3O4.
五,微动磨损
定义:接触表面之间因存在小振幅相对振动或往 复运动而产生的磨损微动磨损.通常发生在一对 紧配合的零件. 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨损粉末. 微动磨损量与材料性质,滑动振幅和施加载荷有 关. 滚压,喷丸和表面热处理都可因为表层产生压应 力,能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力.
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4,改善粘着磨损耐磨性的措施
合理选择摩擦副材料; 避免或阻止两摩擦副间直接接触; 为使磨屑多沿接触面剥落,以降低磨损量, 可采用表面渗硫,渗磷,渗氮等表面处理 工艺等.
二,磨粒磨损
1,磨损机理 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或 在接触面向存在硬质粒子( 在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从 表面剥落) 表面剥落)时产生的磨损. 特征:摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成 的沟槽.
一般发生在表面强化的材料中如渗碳钢接触疲劳试验机上进行试验机目前国内接触疲劳试验机上进行试验机目前国内常用的主要有单面对滚式双面对滚式和常用的主要有单面对滚式双面对滚式和接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别是载荷大小
浅谈钢轨轨头表面接触疲劳伤损的成因及预防
开始的横向裂纹
严重擦 伤或 缺损 车 轮 的打击 造 成
的轨头伤损
２ ４
４ １ ４ ３
４ ４
１２ ８
ｘ４
金属强度不足造成 的轨头压 陷 曲线内轨轨头压 陷
轨头磨耗超限
１２×１ ５ １ ２× ５ ３
形成 和发展 。
载荷超过了安定极限，塑性变形就将无休止，物体 产生 塑性 流动 ，最终发 生 物体 累积 塑 性 塌 陷或 低周
疲劳磨 损 。
２２ 鱼鳞缺 陷、轨头表面剥离及轨头掉块 伤 ．
损产 生 原 因 ：主要 是 轮 轨 接 触 面 表 层 发 生 塑 性 变 形 ，使钢 轨 的几 何形 状发 生 变化 。钢 轨 塑性 变 形 程
定极 限载荷 ，而 此状态 一 般称 为 安定 状 态 。 当载荷 超过屈 服 极 限而 在 安 定 极 限 以 下 时 ，经 过 几 次 加 载 、卸载反 复作 用 ，不 再 继续 发 生塑 性 变 形 ，但 当
３ 轨 头接触 疲劳伤损 影 响因素
经分析表明，造成钢轨轨头产生接触疲劳伤损 的原因是轮轨接触应力过大 ，超过安定极限值使其 产生塑性流变后产生疲劳损伤。因此接触疲劳伤损 的产生 和发 展 与线 路 条 件 （ 曲线 半径 等 ） 、运 营条 件 （ 速度和载重）及钢轨强度级别等有直接关系。 ３ １ 曲线半径影 响：理论上来讲 曲线半径越 ． 小，钢轨所承受的轮轨接触应力越大 ，即曲线半径 与轮轨接触应力值成反 比关系 ，当接触应力超过钢 轨的接触疲劳裂纹萌生抗力时 ，将导致踏面裂纹的
．
３ ・ ６
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成 铁科 技
金属疲劳的名词解释
金属疲劳的名词解释金属疲劳是指金属材料在受到周期性或重复加载时，由于内部微观细观结构的缺陷和应力集中等因素，导致局部应力超过其抗力而产生的一种机械性能变化现象。
在实际工程中，金属疲劳是一种重要的失效形式，常常导致机械设备、工程结构和材料元件的突然损坏，因此对金属疲劳的理解和控制具有重要意义。
一、金属疲劳的起因金属疲劳的起因与金属材料的微观细观结构有密切关系。
在金属晶体中存在着晶界、孪晶界、位错、夹杂物等缺陷，这些都是金属疲劳产生的起因。
当金属材料受到外部荷载作用时，缺陷处存在应力集中，容易引发裂纹的形成。
随着荷载的循环，裂纹逐渐扩展，并最终导致材料断裂。
二、金属疲劳的特点1. 循环加载和高频加载。
金属疲劳是因为金属材料在循环加载下产生的疲劳失效，而非稳态加载。
循环加载中的应力水平往往较低，但由于循环次数较多，最终会导致金属材料的损坏。
2. 与应力幅度和寿命的关系。
金属疲劳的寿命与循环应力的幅度密切相关，随着循环应力幅度的增大，金属疲劳的寿命会显著减小。
同时，金属疲劳的寿命还与材料的强度、断裂韧性以及环境因素等有关。
3. 局部疲劳破坏。
金属疲劳是一种局部破坏形式，一般是由于材料表面或内部缺陷的存在而引起的。
在应力集中区域，裂纹会迅速扩展和连接，导致材料的失效。
三、金属疲劳的影响因素1. 循环应力幅度。
金属疲劳的寿命与循环应力的幅度密切相关，一般来说，应力幅度越大，金属疲劳的寿命越短。
2. 材料性能。
金属疲劳的寿命与材料的强度、韧性以及断裂韧性有关。
高强度和高韧性的材料一般具有较长的金属疲劳寿命。
3. 环境条件。
环境条件也是影响金属疲劳寿命的重要因素。
高温、潮湿以及腐蚀介质等会加速金属疲劳的发生和扩展。
四、金属疲劳的防控措施1. 加强材料检测。
在工程设计和加工过程中，对金属材料进行严格的检测，避免使用存在严重缺陷的材料。
2. 强化材料表面处理。
通过表面处理，如表面喷涂、电镀等方式，增加金属材料的表面硬度和耐蚀性，提高金属疲劳的抗性。
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。
金属接触疲劳
接触疲劳——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。解除疲劳的宏观形态特征是在接 触面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时 凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹扩展线 的痕迹。根据剥落裂纹起始位置及形态不 同，解除疲劳破坏分麻点剥落（点蚀）、 浅层剥落和深层剥落（表面压碎）三类。
球状不变形夹杂物（危害较大） 钙的铝酸盐 半塑性夹杂物（危害较小） 复合铝硅酸盐 轧后呈纺锤型
轴承钢按三项夹杂物评级，即脆性夹杂物、塑性夹杂物和球状不变形夹杂物 碳化物不均匀性： 碳化物液析：偏析时引起的伪共晶碳化物；（扩散退火） 带状碳化物为二次碳化物偏析，沿轧向呈带状； 网状碳化物：沿奥氏体晶界析出的二次碳化物； 大颗粒碳化物：正火或退火过程中长大的碳化物
影响接触疲劳寿命的因素
接触疲劳是轴承和齿轮常见 的失效形式
1.内部因素
• • • • • • • • • • • • • • a.非金属夹杂物 轴承钢要求纯净和组织均匀。纯净就是杂质元素及非金属夹杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细 小，分布要均匀。轴承钢经热处理后要求高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和高的接触疲劳 强度。 轴承钢有冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65%。冶金缺陷是指非金属夹杂物和碳化物不均匀性。 非金属夹杂物主要来源：冶炼时产生的脱氧产物。 非金属夹杂物：可破坏基体的连续性，引起应力集中。 脆性夹杂物（危害最大） 刚玉（Al2O3)、尖晶石 沿轧制方向呈点链状分布，产生危害的临界尺 寸为6-8μm。 塑性夹杂物 （危害最小） MnS、铁锰硅酸盐 沿轧制方向呈连续条状分布
• d.表面硬化层深度 • 最佳的硬化层深度
金属的磨损和接触疲劳
7.2 磨损模型
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。 主要特征：摩擦面上有明显犁沟
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
•2、磨粒磨损分类 以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两
• 磨损——由于机件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面逐渐有微小颗 粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失。磨 损是一个复杂的过程
金属的磨损与接触疲劳
7.1 摩擦和磨损的基本概念
•机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段（如图）： •1、跑合阶段（磨合阶段） •2、稳定磨损阶段 •3、剧烈磨损阶段 •耐磨性——材料抵抗磨损的性能
体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为 另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者 介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落 人磨料。这两种分类法最常用。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、磨粒磨损分类 以力的作用特点来分： (1)凿削式磨料磨损 (2)高应力辗碎式的磨料磨损 (3)低应力划伤式的磨料磨损
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• 其过程：粘着→剪断→转移→再粘着
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、影响粘着磨损的因素及改善措施 材料特性、法向力、滑动速度、温度
(1) 脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2) 速度 (3) 粗糙度 (4) 温度 (5) 法向力
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如生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损。
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金属疲劳基础
金属疲劳基础金属疲劳是一种重要的金属材料损伤形式，很多金属结构因为长期受到疲劳作用而导致疲劳断裂事故，所以金属疲劳问题一直是金属材料研究的重点和难点。
一、金属疲劳的定义及原理金属材料在受到交变载荷作用下，经过多次往复循环后，材料内部会形成微小的裂纹，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，最终导致疲劳断裂。
这种现象就是金属疲劳。
金属疲劳的主要原理是由于材料内部晶界错位、位错等微观结构的形变与位移所产生的内部应力聚集于特定部位，超过材料的强度极限而导致裂纹扩展和疲劳断裂。
二、金属疲劳的特点和表现金属疲劳的特点是在低应力下也能造成裂纹和疲劳断裂。
通常金属的疲劳断裂强度要比金属的静态强度低很多，而且疲劳断裂的形态比较规则，很容易被识别。
金属的疲劳断裂通常呈现出喇叭口形，即断面宽度较窄，厚度逐渐递减的形状，谷底通常呈现出明显的条纹状或裂纹痕迹，这些特点可以很好地区分金属疲劳断裂和其他断裂形态。
三、金属疲劳的影响因素金属疲劳的影响因素很多，常见的有金属材料的性质、材料的强度、应力水平、应力集中、材料的温度等等。
在疲劳过程中，应力集中处的材料强度更容易受到损伤，因此这个位置的疲劳寿命会比其他位置的疲劳寿命更短。
此外，材料的应力水平也是影响疲劳寿命的重要因素，应力越大，疲劳寿命就越短。
四、金属疲劳的预测和控制对于金属疲劳的预测和控制，通常通过疲劳试验和数学模型的建立来进行研究。
疲劳试验是一种通过模拟实际工作条件下材料长期受到交变载荷作用的方法，通过测试疲劳寿命和疲劳断裂形态来分析材料的疲劳特性。
建立疲劳损伤预测模型可以更好地预测金属在实际工作条件下的寿命，从而有效地控制金属疲劳问题。
除此之外，材料的设计和优化也是降低金属疲劳的一种重要手段，例如减小应力集中、增强材料强度等。
综上所述，金属疲劳问题在金属材料研究和工程实践中具有重要的意义，对于我们提高金属材料的使用效率和安全性来说具有十分重要的参考价值。
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• c.表面硬度和心部硬度 在一定硬度范围内， 解除疲劳强度随硬度升高而增大，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。表面脱碳降低表面硬度，又使表面 易形成非马氏体组织，并改变表面残余应力分布， 形成残余拉应力，故降低接触疲劳寿命。某些齿 轮早期接触疲劳失效分析表明，当脱碳层深度为 0.2mm时，表面含碳量0.3%~0.6%时， 70%~80%疲劳裂纹是从脱碳层内起源的。但若表 面形成一层极薄的(0.1~0.3mm)均匀脱碳层（或 残余奥氏体层）虽然降低表面硬度，但因使表面 产生微量塑性变形和磨损，增加了接触面积，减 小了应力集中，反能提高接触疲劳寿命。渗碳件 心部硬度太低，则表层硬度梯度过大，易在过渡 区内形成裂纹而产生深层剥落。实践表明，渗碳 齿轮心部硬度以35~40HRC为宜。
• b.热处理组织状态 • 1）马氏体含碳量 接触疲劳强度主要取决于材 料的抗剪强度，并要求有一定的韧性相配合。对 于轴承钢，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。 • 2）马氏体和残余奥氏体的级别 若残余奥氏体 越多，马氏体针越粗大，则表面有益的残余压应 力和渗碳层强度就越低，则越易产生显微裂纹， 故降低接触疲劳寿命。 • 3）未溶碳化物和带状碳化物 未溶碳化物越 粗大，则相邻马氏体边界处的含碳量就越高，该 处也就越易形成接触疲劳裂纹，故寿命较低。
金属接触疲劳
接触疲劳——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。解除疲劳的宏观形态特征是在接 触面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时 凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹扩展线 的痕迹。根据剥落裂纹起始位置及形态不 同，解除疲劳破坏分麻点剥落（点蚀）、 浅层剥落和深层剥落（表面压碎）三类。
影响接触疲劳寿命的因素
接触疲劳是轴承和齿轮常见 的失效形式
1.内部因素
• • • • • • • • • • • • • • a.非金属夹杂物 轴承钢要求纯净和组织均匀。纯净就是杂质元素及非金属夹杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细 小，分布要均匀。轴承钢经热处理后要求高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和高的接触疲劳 强度。 轴承钢有冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65%。冶金缺陷是指非金属夹杂物和碳化物不均匀性。 非金属夹杂物主要来源：冶炼时产生的脱氧产物。 非金属夹杂物：可破坏基体的连续性，引起应力集中。 脆性夹杂物（危害最大） 刚玉（Al2O3)、尖晶石 沿轧制方向呈点链状分布，产生危害的临界尺 寸为6-8μm。 塑性夹杂物 （危害最小） MnS、铁锰硅酸盐 沿轧制方向呈连续条状分布
• d.表面硬化层深度 • 最佳的硬化层深度
t m(
15 ~ 20 100
)
;或
t 3 . 15 b
式中 m--模数；b--接触，可以提高接触疲劳寿命。 • 2.外部因素 • a.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 高接触疲劳精度，可以有效的增加接触疲劳寿命。 • b.硬度匹配 • 两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，会直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，ZQ-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%~50%。此外，两个接触滚 动件的装配质量及它们之间的润滑情况也影响接 触疲劳寿命。
球状不变形夹杂物（危害较大） 钙的铝酸盐 半塑性夹杂物（危害较小） 复合铝硅酸盐 轧后呈纺锤型
轴承钢按三项夹杂物评级，即脆性夹杂物、塑性夹杂物和球状不变形夹杂物 碳化物不均匀性： 碳化物液析：偏析时引起的伪共晶碳化物；（扩散退火） 带状碳化物为二次碳化物偏析，沿轧向呈带状； 网状碳化物：沿奥氏体晶界析出的二次碳化物； 大颗粒碳化物：正火或退火过程中长大的碳化物