微动磨损与接触的影响

两块相互压紧的材料,在同时承受横向载荷的条件下,由于接触面间的微小往复相互错动而产生的疲劳失效称为微动磨损疲劳。工程中发生微动磨损疲劳的情况有:压配合、螺栓和压紧的钢板弹簧等。

微动磨损可以大大降低高周疲劳强度。对于低周疲劳来说,由于它以裂纹扩展寿命为主,微动磨损的影响不大。

影响疲劳磨损的因素包括载荷、材料性质、润滑、环境等。

(1)载荷和摩擦 载荷决定接触应力的大小,因此它是影响疲劳磨损的最重要因素,载荷愈大,疲劳寿命就愈短。接触区的摩擦对疲劳磨损也有显著影响,一般来说,随着摩擦力的增加,疲劳寿命迅速下降。

(2)表面粗糙度 由于实际加工的表面粗糙度会使理想光滑表面上的赫兹接触应力分布发生“应力调幅”现象,即使一个半椭圆分布的应力场变成了很多微观应力场,每个接触凸体上出现一个应力峰,从而引发很多微观点蚀,构成宏观点蚀裂纹起源,降低表面粗糙度有利于提高疲劳磨损强度。

(3)材料硬度 由于疲劳磨损属于应力疲劳的范畴,其裂纹的萌生是主导过程,因此材料的硬度愈高,裂纹愈难以形成,疲劳寿命就愈长。但硬度高到一定程度后,继续提高硬度反而会使疲劳寿命下降。在油润滑条件下发生的擦伤主要机制是应变疲劳,在这种情况下,疲劳裂纹的扩展阶段是影响疲劳寿命的主要因素,硬度愈高,裂纹扩展速率愈快。一般来说,在中低硬度范围内,零件的表面硬度越高,接触疲劳抗力越大。但是近十余年来的研究表明,在高硬度范围内,这种对应关系并不存在。

国内在轴承钢的大量试验统计工作中也证实了这一点。在20CrMo钢渗碳淬火后,调整回火温度,从而得到不同表面硬度,进行多次冲击接触疲劳试验,也证实了这一点。因为硬度主要反映材料塑变抗力高低和一定程度上反映材料切断抗力的大小。如果说接触疲劳裂纹的生成主要取决于材料塑变抗力和切断抗力(即抗剪强度),那么接触疲劳裂纹的发展除与抗剪强度有关外,还与材料的正断抗力有关。材料成分组织变化引起正断抗力的变化在硬度值上是反映不出来的。

(4)材料组织 钢中的残留奥氏体对接触疲劳性能影响很大。一般认为,增加残留奥氏体量可以增加接触面积,使接触应力下降,会发生形变强化和应变诱发马氏体相变,提高表面残余应力,阻碍疲劳裂纹的萌生与扩展,因此其含量愈多,疲劳寿命也愈长。

根据在轴承钢上已进行的研究工作表明,在剩余碳化物相同的条件下,马氏体含碳量在0.4%~0.5%时接触疲劳寿命最高,出现峰值。这可能是由于马氏体含碳量太低时,马氏体本身强度(主要指抗剪强度)低,而马氏体含碳量过高又会引起马氏体脆化。

通过研究剩余碳化物大小和数量对轴承钢接触疲劳性能的影响发现,细颗粒的碳化物(平均大小在0.5~1.0μm)的接触疲劳寿命比粗颗粒碳化物(1.4μm以上,一般在2.5~3.5μm)高。当然,碳化物颗粒对接触疲劳寿命的影响不可能只是平均颗粒大小的问题,显然还和碳化物的数量、形状和分布有关。总的来说分布越均匀越好,形状的圆整度越高越好。至于碳化物数量问题,实验指出,如果不是为了提高耐磨性,最好不要有剩余碳化物,因为实验观察到裂纹都是在碳化物和马氏体界面上传播。至少也要使剩余碳化物的数量调整在6%以下,否则对接触疲劳无好处。例如对高碳钢采取措施,使其未溶碳化物做到颗粒小、数量少、均匀、圆整度好,即达到“小、少、匀、圆”的要求后,多次冲击接触疲劳性能会得到显著改善。

(5)材料内部缺陷 材料内部缺陷会严重降低疲劳寿命,因为内部缺陷会破坏基体的连续性,造成应力集中,加速裂纹的形成与扩展。钢的疲劳寿命与其内部夹杂物的类型、形态和数量有很大关系,一般来说,夹杂物尺寸愈大、分布愈不均匀,疲劳寿命降低愈多。适当增加表面硬化层的厚度可以使疲劳寿命增加。对接触疲劳磨损来说,非金属夹杂物是危害最大的。轴承钢中的非金属夹杂物有塑性、脆性和不变形(球状)夹杂物三种类型。其中塑性夹杂物影响较小,球状夹杂物(钙硅酸盐和铁锰酸盐)次之,危害最大的是脆性夹杂物(氧化物Al 、氮化物、硅酸盐和氰化物等)。

因为它们无塑性,和基体的弹性模量不同,容易在和基体交接处引起高度应力集中,导致疲劳裂纹早期形成。研究表明,这类夹杂物的数量越多,接触疲劳寿命下降得越快。分析夹杂物周围的应力场表明,夹杂物与基体间膨胀系数的差别是影响疲劳强度的重要因素。膨胀系数小于基体,淬火后界面产生拉应力,降低疲劳强度,氧化物即属于此。膨胀系数大于基体,如硫化物,淬火后界面不会产生拉应力,因此对疲劳强度无害,甚至有利。硫化物的无害有利作用还有可能是由于将氧化物夹杂物包住形成共生夹杂物,从而减轻氧化物的坏作用。改善钢的冶炼方法,进行净化处理,是提高夹杂物的根本措施,其中电渣重熔和真空电弧炉效果最好。

(6)润滑剂与添加剂 疲劳寿命一般随润滑油黏度的提高而增加。润滑油中如果有水分存在,将降低疲劳寿命,因为水的存在加速了裂纹的扩展。在润滑油加入适当的添加剂是改善润滑效果的重要方式。但润滑剂及其添加剂的类型对疲劳寿命有重要影响。一般来说,多数极压抗磨添加剂会降低疲劳寿命。润滑油膜厚比对疲劳寿命有很大的影响,膜厚比愈大,疲劳寿命也愈长。

(7)环境因素 介质的腐蚀性对疲劳磨损影响很大,氧气介质中的疲劳磨损比空气中的大,空气中的疲劳磨损比真空、氮气、氢气以及氦气中大。随温度的升高疲劳磨损量下降,对低碳钢只有达到530℃以上才会出现磨损量的突然上升。湿度对疲劳磨损的影响比较复杂,而且对不同的材料影响不同。对铁的磨屑进行观察发现,在其他实验条件相同时,干空气中产生的磨屑能保留在接触中心,而在10%相对湿度时会出现磨损量迅速上升。但不同的钢材的磨损行为差别很大,如9310齿轮钢对湿度的影响最敏感,在湿空气中的磨损量大约是干空气中的5倍,而几种轴承钢的表现与此相反,在湿空气中的磨损量均比干空气中的小。

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