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1998年,在美国SaltLakeCity召开2ndInternationalSymposiumOnFrettingFatigue,发表学术论文近40篇;
2001年,在日本召开3rdInternationalSymposiumOnFrettingFatigue,并形成每3年一次的微动疲劳系各国际会议。
3.一些统计数据
(1)国家和地域的散布
依照发表论文的数量,要紧有英国、法国、美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞士和比利时。
这些国家发表的论文数占论文总数的90%以上。
(2)研究机构及人员
约有300名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论文,一半左右仅显现一次签名。
发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研究单位,要紧集中在法国、英国、美国。
(3)研究领域散布
微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半,而有关微动侵蚀的论文相对较少。
(4)研究内容
①基础研究
从简单的工业微动破坏现象的观看、单一实验参数的阻碍,走向破坏机理的实验分析、综合机械材料参数(如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等)的阻碍。
从平移微动模式的研究,走向其他微动模式(如径向、转动、扭动、冲击等模式)和复合微动模式等的研究。
②理论分析
理论分析再也不局限于Hertz弹性接触理论,而借助运算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析(包括热力学)等研究手腕来模拟微动的运行和破坏进程。
③新材料
过去的研究要紧集中在金属材料,尤其是各类钢和铝合金,此刻已有很多研究者开始致力于各类新材料的微动损伤规律的研究。
④环境阻碍
微动的研究再也不局限于一般工况,除在传统的高温、真空和侵蚀气氛等环境下进行研究之外,诸如流动空气、水蒸气介质、生物性侵蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也取得踊跃开展。
⑤防护方法
研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏研究并重的时期,各类减缓技术如表面处置、润滑和结构设计改良等有专门大的进展。
⑥工业应用
航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日趋成为研究热点。
4.微动磨损的特点
具有引发微动的振动源(机械力、电磁场、冷热循环等),流体运动所诱发的振动;
磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形和微裂纹;
磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。
二、微动磨损理论
一个较为完满的微动磨损理论应该能对以下实验现象作出合理的说明:
真空或惰性气氛中微动损伤较小;
微动产生的磨屑要紧由氧化物组成;
循环数一按时,低频微动比高频损伤大;
材料流失量随负荷和振幅而增加;
低于室温比高于室温的磨损严峻;
空气环境比湿空气中损伤大。
1.Uhlig模型
该理论成立在表面微凸体受到氧化和机械磨损的交替作用上。
室温下铁的氧化为:
每一循环造成氧化层的重量损失为:
每一循环金属的磨损量为:
总的微动磨损量:
第一项化学因素引发;
第二项机械因素引发
微动磨损量是:
微动频率的双曲线函数
负荷的抛物线函数
循环次数和振幅呈线性关系
Uhlig依照钢的微动磨损实验取得体会公式为:
Uhlig的模型不足:
忽略了氧化膜起到避免材料粘着的有利作用
忽略了微动进程中磨屑参与磨损的作用
因此它不能说明实验中显现的许多现象,至少对微动磨损随循环次数的转变规律不能给予完满的说明。
2.Feng和Rightmire模型
Feng和Rightmire在总结微动循环次数与材料失重关系后提出来的。
能够将曲线分为四个时期:
OA段:
由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升;
AB段:
从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲;
BC段:
磨粒作用下降,从而减缓材料损失;
CD段:
最后达到稳固磨损率。
接触第一发生在微凸体上,少量磨屑落入谷内;
磨屑填满谷,使磨损变成磨粒磨损。
许多微凸体归并成一个小平台;
磨屑进一步增加,并开始从接触区溢出进入临近的洼谷区;
接触区压力再散布,中心压力增高,边缘压力降低,使中心的磨粒磨损加重,凹坑迅速加深。
模型专门快为科学家们所同意:
形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象
确立了磨粒磨损是稳态时期的特点
不足:
至今尚未达到令人中意的定量描述。
3.微动的三体理论
微动的三体理论以为磨屑的产生可看成是两个持续和同时发生的进程:
①磨屑的形成进程
接触表面粘着和塑性变形,并伴随强烈的加工硬化;
加工硬化使材料脆化,白层同时形成,随着白层的破碎,颗粒剥落;
颗粒被碾碎,并发生迁移,迁移进程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数(如振幅、频率、载荷等)。
②磨屑的演化进程
起初磨屑呈轻度氧化,仍为金属本色,粒度为微米量级(约1μm);
在碾碎和迁移进程中进一步氧化,颜色变成灰褐色,粒度在亚微米量级(约μm);
磨屑深度氧化,呈红褐色,粒度进一步减小为纳米颗粒(约10nm),射线衍射分析说明磨屑含α-Fe、α-Fe2O3(呈红色)和低百分比的Fe3O4。
利用三体理论可专门好地说明钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的转变进程:
①接触表面膜去除,摩擦系数较低;
②第一、二体之间彼此作用增加,发生粘着,摩擦系数上升,并伴随材料组织结构转变;
③磨屑剥落,第三体床形成,二体接触慢慢变成三体接触,因第三体的爱惜作用,粘着受抑制,摩擦系数降低;
④磨屑持续不断地形成和排除,其成份和接触表面随时刻改变,形成和排出的磨屑达到平稳,微动磨损进入稳固时期。
3.微动磨损的进展进程
(1)粘着机制在微动磨损中的作用
一般滑动磨损中,金属表面的微凸体接触后形成冷焊点,受切向力作用发生断裂,同时显现材料转移。
这是单方向上一次作用下实现的。
微动磨损中:
金属表面微凸体接触后形成冷焊点,微动往复式多次反复运动,使某些冷焊点发生断裂,同时显现材料转移,因此,磨损率低。
微动的初期,金属表面氧化膜破裂后,粘着偏向迅速增大。
发生断裂并形成松散磨粒后,粘着偏向会慢慢减小,最后过渡到平稳时期。
粘着时期持续的时刻与材料及环境有关。
同种金属在一路微动时易发生粘着,而且两表面的损伤程度相同。
异种金属微动时,损伤要紧出此刻较软的金属表面上。
通过时效处置或加工硬化的材料与未经处置的材料,振幅对粘着系数的阻碍有相同的结果。
微动振幅对粘着系数阻碍的趋势大体相似,可是,随合金化程度的增加,粘着的机遇明显减小。
合金化不仅增加了材料的强度,更重要的是改变了金属表面氧化膜的性质。
(2)氧化作用
金属表面的氧化膜对避免冷焊十分有效,有利于避免粘着。
能在金属表面生成附着牢固,且在微动下能显现一层釉质氧化物层的材料,其磨损量和摩擦系数将随微动而明显下降。
氧化对微动磨损的阻碍:
贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损,氧不参与作用,以粘着及塑性变形机制为主;
薄而附着不牢的氧化膜,在不到一次微动循环便被破坏,这时氧化与机械两种机制均对微动磨损有奉献;
氧化较严峻而且氧化膜易碎裂成片,氧化与机械两种机制的协同作用加速表面破坏;
氧化层致密能起减摩作用,如钛合金、镍铬铝合金在高温下的微动磨损,氧化作用减缓了机械摩擦致使的损伤。
(3)微动磨损的稳态时期
稳态时期是微动磨损的要紧时期,用它来评判材料的耐磨性是合理的。
稳态时期哪一种磨损机制占主导地位呢?
1973年提出磨损剥层理论后,才统一了熟悉:
微动是相对运动速度较低的滑动,它符合剥层理论中提到的假设:
磨屑呈片状离开母体材料表面,屑片的厚度为1~10μm,长度为20~50μm;
微动磨损观看到磨痕为平底浅坑;
以为在交变应力较低时,形成亚表面裂纹所需要的循环次数多,直到裂纹萌生并扩展至必然长度后才会产生磨屑;
在考虑粘着、磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论的作用。
可是,的剥层理论未能说明裂纹是不是第一在亚表层形成。
4.微动疲劳
(1)微动疲劳的特点与诊断
微动疲劳是指因微动而萌生裂纹源,并在交变应力下裂纹扩展而致使疲劳断裂的破坏形式。
特点一:
疲劳断裂源必然出此刻微动接触区或其阻碍区内。
特点二:
裂纹扩展的时期性。
诊断:
只要断口具有疲劳破坏特点,裂纹源发生于微动磨痕,裂纹扩展呈现时期性即可确以为微动疲劳破坏。
(2)微动疲劳曲线(交变应力与循环周次曲线)
只有达到必然的微动循环次数时才能致使疲劳强度的降低。
低于此值时,微动的阻碍不明显。
而微动造成疲劳强度明显下降,并降低于一确信值后即便微动进程继续进行,疲劳强度也再也不进—步下降。
(3)微动疲劳裂纹的萌生与扩展
微动疲劳裂纹萌生和扩展大致通过几个时期:
显现裂纹源;
微裂纹萌生;
微裂纹生长;
宏观裂纹显现;
宏观裂纹扩展。
从微观应力场散布能够看出:
微动时,在接触中心部份因太高的法向压力致使摩擦力大于切向力(fp>q)而处于静止状态;
边缘地域由于fp<q而产生局部滑动,疲劳裂纹就在该处萌生。
微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将致使裂纹的萌生和加速其扩展。
拐点是微动作用的终止点;
疲劳裂纹扩展的起始点
随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展,其扩展速度降低。
一样来讲,当微动疲劳裂纹深切到表面1mm后,其扩展和断裂进程将完全按一样的疲劳规律进行。
三、阻碍微动磨损的因素
1.材料性能
金属材料摩擦的抗粘着磨损能力越大,抗微动磨损的能力也较强。
2.微滑动距离
微动磨损量随滑动距离的增大而增大。
3.载荷
在微滑动距离必然的条件下,微动磨损量随载荷的增加而增加,但超过某一极大值后又不断减小。
4.相对湿度
微动磨损量随相对湿度的增大而降低。
如对钢铁而言,相对湿度大于50%时,表面生成Fe2O3•H2O薄膜,他比通常的Fe2O3软,具有较低的磨损率。
5.振动频率与振幅
在大气中,振幅很小时(如),钢的微动磨损量大体与振动频率无关,但在较大振幅时,随振动频率的增加,微动磨损量有减小的偏向。
6.温度
随温度的增高,微动磨损量增大。
四、阻碍微动疲劳的因素
1.法向压力
疲劳强度随着微动处经受的法向压力的增加而下降。
当压力达到必然数值时,疲劳强度大体不变。
2.微动振幅
疲劳强度随振幅的增大而减小。
当达到一临界值时,微动疲劳寿命达到最低值,尔后随振幅继续增大寿命反而延长。
振幅的增加为表面制造更多的损伤和萌生裂纹的机遇。
当振幅较大时,受阻碍的面积增大,表面切应力会下降,一些刚萌生的浅裂纹有可能被磨掉,故材料疲劳强度又提高了。
3.环境气氛
环境气氛要紧包括湿度及氧化。
氧化作用尽管能够减少微动面上的初期粘着,但对裂纹却有可能起加速扩展的作用。
湿度因材料而异,湿度增大会加速裂纹的萌生与扩展。
耐蚀材料,微动疲劳几乎不受环境阻碍,而不耐蚀材料那么要紧决定于介质的作用。
疲劳磨损
前言
(1)疲劳微裂纹一样在有固有缺点的地址最先显现。
这些缺点可能有机械加工造成(如切削痕、碰上痕等)或由材料在冶炼进程中造成(如气孔、夹杂物等)裂纹还能够在金属相和晶界之间形成。
通常齿轮副、转动轴承、凸轮副等零件比较容易显现表面疲劳磨损。
表面疲劳磨损可分为非扩展性的和扩展性两种类型。
摩擦表面粗糙峰周围应力场转变所引发的微观疲劳现象属于非扩展性磨损。
例如在磨合时期的磨损属于非扩展性磨损。
假设作用在两接触面上的交变接触压应力较大,而材料选择和润滑不合理时,将会产生扩展性的表面疲劳磨损,致使零部件迅速失效。
一样来讲,表面疲劳磨损是不可幸免的,即即是在良好的油膜润滑条件下也会发生。
摩擦学设计的任务是尽可能使机械零部件在额定的工作时刻内可不能因为发生扩展性表面疲劳磨损而失效。
(2)疲劳磨损的种类
a.表层萌生与表面萌生疲劳磨损
表层萌生
一般质量钢材
滚动为主的摩擦副
裂纹萌生在表层应力集中源
平行于表面扩展,后分叉延伸到表面
断口光滑
萌生时间短,扩展速度慢
表面萌生
高质量钢材
滑动为主的摩擦副
裂纹萌生在表面应力集中源
与滑动方向成20°
~40°
角向表层扩展,后分叉
断口粗糙
萌生时间长,扩展速度快
b.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
退火钢和调质钢
渗碳钢和淬火钢
点蚀疲劳裂纹都起源于表面,再顺转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头扩展,最后在两头断裂。
表面疲劳磨损的种类
1.表面疲劳磨损
(1)概念:
疲劳:
指材料在远低于拉伸强度(常常低于屈服强度)的交变载荷作用下发生破裂的现象。
表面疲劳磨损:
两个彼此转动或转动兼滑动的摩擦表面,在交变接触应力的作用下,表层产生塑性变形,在表层薄弱处引发裂纹,裂纹不断扩大并发生断裂,而造成的点蚀或剥落的现象。
如转动轴承、齿轮副、凸轮副和轮轨都能产生表面疲劳磨损,其磨损形式是在滑腻的接触表面上散布有假设干深浅不同的针状或豆状凹坑,或较大面积的表面压碎,摩擦表面粗糙凸峰周围应力场转变引发的微观疲劳现象也属于表面疲劳。
2.表面疲劳磨损的机理
(1)最大切应力理论
表面疲劳磨损的机理能够用赫兹公式来讲明。
在赫兹接触中,最大切应力产生于离表面必然距离的基层,如右图所示,由于转动的结果,在最大切应力处的材料第一显现屈服而塑变,随着外载荷的反复作用,材料在此处第一显现裂纹,并沿最大切应力方向扩展到表面,最后形成疲劳破坏,以颗粒形式分离出来,并在摩擦表面留下痘斑状凹坑,称为点蚀(凹坑小而深)。
或以鳞片状从表面脱落下来,称为剥落(凹坑大而浅)。
关于无缺点的材料,如图:
在转动接触时,第一损伤部位,可由赫兹公式求得的最大交变切应力的位置确信。
若是接触中还有必然的滑动,那么损伤的部位将向表面移近,滑动摩擦力愈大,最大剪应力位置愈接近表面。
但是,事实上材料是不可能完整无缺的。
因此,最终的损伤部位老是受到杂质、疏松、原始微裂痕等因素的阻碍,这些缺点都容易引发应力集中而产生早起的疲劳裂纹。
因此裂纹有时从表面开始,有时从次表面开始。
(2)油楔理论
关于转动兼有滑动的接触表面,因同时存在接触压应力和剪切应力,使得接触应力增大,实际最大切应力十分接近表面,故在摩擦表面上容易产生塑性变形而形成微观裂纹。
有时尽管摩擦副的表而剪应力并非大,但因表面缺点、高温或脱碳等缘故,使表面局部变弱,也容易在表面形成裂纹。
在已形成微裂纹的表面,当有润滑油时,由于毛细管作用,微裂纹吸附润滑油,使得裂纹的尖端处形成油楔,如图(a)所示。
假设转动方向与裂纹方向一致,那么当转动体接触到裂纹口处,将把裂口封住,裂纹中的润滑油不能往外跑,从而使裂纹的两内壁经受庞大的挤压力,于是迫使裂纹与表面呈30º
~45º
倾角向外扩张。
此进程经历假设干周次,裂纹由表面向内层扩展到定深度,起始裂纹口也张大到必然宽度,那么裂纹上部的金属像一个悬臂梁经受弯曲。
在随后的加载运转假设干周次就会突然折断,使那个地址的金属剥离,最后在接触表面留下一个深浅不等的麻点剥落凹坑,一样剥落深度为mm。
在摩擦进程中,摩擦力促使表面金属流动,因此疲劳裂纹往往有方向性,即与摩擦力方向一致。
如下图,主动轮裂纹中的润滑油在对滚中被挤出,而从动轮上的裂纹口在通过接触区时受到油膜压力作用促使裂纹扩展。
由于油的紧缩性和金属的弹性,油压传递到裂纹尖端将产生压力降。
因此,假设转动方向与裂纹方向相反,那么当转动体接触到裂纹时,裂纹中的润滑油被挤出来,如图中的主动轮,裂纹内可不能产生专门大的挤压力,因此裂纹扩展缓慢,工作寿命长。
总之:
1.关于转动接触的理想材料,其破坏位置取决于用赫兹方程求得的最大交变切应力的位置。
2.关于转动兼滑动的接触,那么破坏位置移向表面。
3.材料并非睬想的,其破坏的确切位置会受到材料内存在的杂质、孔隙、微观裂纹和其他因素的阻碍。
(3)微观点蚀磨损理论
微观点蚀理论以为:
裂纹产生的位置事实上较之最大切应力理论确信的位置更靠近表面。
因为最大切应力理论是用宏观的赫兹接触应力来分析的,这种分析以接触区表面理想滑腻,接触应力成椭圆散布为前提的。
如下图的滑腻表面应力散布线。
如此所决定的点蚀应称为宏观点蚀。
可是,真实表面是粗糙的,接触发生在微凸体的峰处,即表面粗糙度使赫兹接触应力散布发生调幅现象,如下图。
微凸体每一个峰点进入接触都产生一个微观应力散布,这种由接触表面峰点作用所引发的点蚀称为微观点蚀。
微观点蚀和宏观点蚀尽管都是与最大切应力的区域相对应,但微观点蚀的最大切应力更接近表面,且裂纹深度比宏观点蚀浅得多(约浅20倍)。
实验证明,随着循环次数的增加,已产生的微观点蚀能够诱发二次裂纹、三次裂纹,裂纹依次向纵深扩展能够形成宏观点蚀。
这是宏观点蚀形成的一种机理。
对用赫兹理论米说明点蚀产生的观点作了专门大修正。
3.疲劳磨损的阻碍因素
(1)非金属夹杂:
非金属夹杂物破坏了基体的持续性,严峻降低了材料抗疲劳磨损能力。
专门是脆性夹杂(硅酸盐和氧化物等)在循环应力作用下与基体材料离开形成空穴,组成应力集中源,当超过基体的弹性极限,产生塑性变形,易在脆性夹杂物的边缘部份最易产生微裂纹,降低抗疲劳磨损能力。
塑性夹杂(硫化物)易随基体一路变形,能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂,可降低氧化物夹杂的破坏作用。
因此,钢种含有适量的硫化物夹杂对提高抗疲劳磨损能力有利。
总之,生产上应尽可能减少钢中夹杂物(专门是氧化物、硅酸盐夹杂物),即炼钢时要进行净化处置。
(2)表面层状态的阻碍
a.表层硬度
通常增加材料硬度能够提高抗疲劳磨损能力,但硬度太高,材料脆性增加,反而会降低接触疲劳寿命。
例如:
对轴承钢而言,当表面的硬度为62HRC左右时,轴承的平均利用寿命最高,如下图。
b.心部硬度
经受接触应力的零件,必需有适当的心部硬度。
假设心部硬度太低,那么表面和心部的硬度梯度太陡,使得硬化层的过渡区产生裂纹,容易产生表层压碎现象。
实践说明:
心部硬度在35~40HRC范围内较适宜。
c.硬化层深度
渗碳钢或其他表面硬化钢的硬化层厚度阻碍抗疲劳磨损能力。
硬化层太薄时,疲劳裂纹将出此刻硬化层与基体的连接处,容易形成表层剥落。
选择硬化层厚度应使疲劳裂纹产生在硬化层内。
d.硬度匹配
硬度匹配直接阻碍接触疲劳寿命。
在齿轮副的硬度选配时,因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多,因此关于软齿面,一样要求小齿轮硬度大于大齿轮硬度,如此小齿轮不易显现疲劳磨损失效,达到大小齿轮利用寿命等长的目的。
(3)表面粗糙度的阻碍:
关于转动或滚滑摩擦副来讲,表面粗糙度应当尽可能低些,专门是硬度较高的零件,表面粗糙度更应该低些,可是表面粗糙度也有个最正确值,太低的表面粗糙度对提高疲劳磨损寿命的阻碍不大。
转动轴承的粗糙度为的接触疲劳寿命比Ra的高2-3倍;
的比的高1倍;
比高倍;
粗糙度低于对寿命阻碍甚微。
(4)润滑的阻碍:
润滑油粘度愈高,那么接触部份的应力愈接近平均散布,相对地降低了最大接触应力,因此抗疲劳磨损的能力就愈高;
油的粘度愈低,愈易渗入裂纹中,加速裂纹扩展,降低了寿命。
润滑油中含水量过量(侵蚀作用)对疲劳磨损有较大阻碍,必需严格操纵含水量。
润滑油中适当加入固体润滑剂如MoS2或硫化润滑脂,可在接触表面层形成一层牢固薄膜,减少摩擦,从而提高抗疲劳磨损性能。
减少磨损的途径
1.合理润滑
尽可能保证液体润滑,采纳适合的润滑材料和正确的润滑方式,采纳润滑添加剂,注意密封。
2..正确选择材料
这是提高耐磨性的关键。
例如关
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