表面疲劳磨损

工程技术名词

摩擦副两对偶表面作滚动或滚滑复合运动时，由于交变接触应力的作用，使表面材料疲劳断裂而形成点蚀或剥落的现象，称为表面疲劳磨损（或接触疲劳磨损）。

原理

由于循环接触应力的作用，在摩擦副工作表面或表层内部形成裂纹并扩展使表层材料剥落的一种磨损。接触运动有滚动、滑动或滚动加滑动 3种情况。

表面疲劳磨损常发生在滚动轴承、齿轮以及钢轨与轮箍的接触面上。不论是点接触还是线接触，最大压应力都发生在零件的接触表面上，最大切应力则发生在表层内部离表面一定深度处。滚动接触时，在循环切应力影响下，裂纹容易从表层形成，并扩展到表面而使材料剥落，在零件表面形成麻点状凹坑，造成疲劳磨损。若伴有滑动接触，破坏的位置逐渐移近表面。

由于材料不可能完全均匀,零件表面也不是完全平滑,材料有表面缺陷、夹杂物、孔隙、微裂纹和硬质点等原因，疲劳破坏的位置往往有所改变,裂纹有时从表面开始,有时从表层内开始。与表面连通的疲劳裂纹还会受到润滑油的楔入作用，使其加速扩展。减少表面疲劳磨损的措施首先在于提高材料的纯洁度，如限制非金属夹杂物的含量，规定基体组织和碳化物的均匀性等。表面应尽量光洁，避免刀痕式磨痕。

分类

按照引起疲劳剥落的初始裂纹出现的部位，表面疲劳磨损可以分为以下两大类型。

1、点蚀

点蚀的特征是初始裂纹出现在零件表面．表面裂纹逐渐扩展并产生疲劳破坏。材料破坏深度浅．以甲壳虫状小片脱落，最后在零件表面形成麻点状小坑。例如，在闭式传动的减速慧中，其主动齿轮的齿面常常会发生这种磨损，点蚀多集中在离节点以下2～3mm的部位究表明，当表面接触压应力较小（小于材料剪切强度r的55%），而摩擦系数较大时，表面磨损主要表现为点蚀。尤其是当零件表面质量较差时（如脱碳、淬火不足，有夹杂物等），更是如此。

2、剥落

当表面接触压应力较大（大于材料剪切强度τ的60%），而摩擦系数较小时，其初始裂纹往往在表面以下萌生并扩展，疲劳破坏大都突然发生，材料呈片状脱落，破坏区较大，这种疲劳磨损的形式称为剥落。一般滚动轴承常发生这种形式的表面疲劳磨损，其破坏部位大都在轴承内、外圈的滚道和滚动体表面。

特点

表面疲劳磨损，是在摩擦接触面上不仅承受交变压应力，使材料发生疲劳，同时还存在摩擦和磨损，且表面还有塑性变形和温升，因此，情况比一般疲劳更为严重。

根据弹性力学的赫兹公式可知，无论是点接触还是线接触，表层最薄弱处是在离表面0.786b处（b为点接触或线接触的接触区宽度的1/2）。因为这里是最大剪切应力的作用点，最容易产生裂纹。特别是在滚动加滑动的情况下，最大剪切应力的作用点离摩擦表面更近。就更容易剥落产生磨损。

对于裂纹产生机理有很多研究：

a.裂纹从表面产生在滚动接触过程中，由于外界载荷的作用，表面层的压应力引起表层塑性变形，导致表层硬化，开始出现表面裂纹。当润滑油楔入裂纹中滚动体在运动时又将裂纹的口封住。裂纹中的润滑剂被堵在缝中，形成巨大的压力，迫使裂纹向前扩展。经过多次交变后，裂纹将扩展到一定的深度，形成悬臂状态，在最弱的根部发生断裂，出现豆斑状的凹坑，称为点蚀。这种现象在润滑油粘度低时容易发生。

b.裂纹从接触表层下产生由于接触应力的作用，离表面一定深度（0.786b）的最大剪切应力处，塑性变形最剧烈。在载荷作用下反复变形，使材料局部弱化，在最大剪应力处首先出现裂纹，并沿着最大剪应力的方向扩展到表面，从而形成疲劳磨损。如在表层下最大剪应力区附近，材料有夹杂物或缺陷，造成应力集中，极易早期产生疲劳裂纹。

产生条件

然而，在相同工作条件下。同一种零件也有可能会同时出现以上两种磨损形式。综上所述，产生表面疲劳磨损的基本条件是：产生滚动摩擦或滑动摩擦或二者兼有的摩擦副承受了较高的重复接触应力（压应力或剪应力）。它与一般材料疲劳破坏的主要区别是：

①磨损的产生与摩擦力有关；

②磨损往往发生在材料的表层或次表层；

③材料不存在疲劳极限。

作用

在可能条件下，采取如渗碳和渗氮等表面强化工艺，以提高硬度。强化层必须有足够的厚度,心部要有足够的强度,并选用合适的润滑剂。这些措施都能减小表面疲劳磨损。

磨损疲劳

两个接触表面做纯滚动或滚动与滑动复合摩擦时，在高接触压应力的作用下，经过多力循环后，在其相互作用表面的局部地区产生小块材料剥落，形成麻点或凹坑，这种表面疲劳磨损或简称疲劳磨损。

两个物体接触（摩擦副）表面作相对运动，在法向力作用下，摩擦使表面物质逐渐耗损的过程称为磨损。例如舵面滑轮在滑轨上的运动。磨损的结果会提高应力水平，增加应力集中，但磨损所造成的耗损主要影响运动机构的功能，所以磨损量的预估是磨损疲劳分析的一个重要问题。

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