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1、磨损机理（二）,表面疲劳磨损Fatigue wear表面疲劳磨损是循环接触应力周期性地作用在摩擦表面上，使材料疲劳而引起材料微粒脱落的现象。摩擦表面材料微凸体积受循环接触应力作用，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒，形成了疲劳磨损。这种形式的磨损常出现在滚动轴承、齿轮等高副中。当接触表面受到很大的循环变化接触应力，经过一定工作循环次数以后，可能在局部表面形成小块的甚至是片状的 麻点或凹坑，进而导致零件失效。这种失效形式称为表面疲劳磨损，简称点蚀。由此建立的接触疲劳强度准则是机械传动设计的重要的计算方法。,表面疲劳磨损的分类表面疲劳磨损的分类方法很多。1按照摩擦副的性质可分为滚动摩擦疲劳磨
2、损这种情况常发生在润滑充分、密封良好的滚动摩擦表面上主要表现为点蚀。滑动摩擦疲劳磨损在两表面滑动接触过程中，硬微凸体使表面产生变形，在硬微凸体前面的材料受压，而在其后面的材料受拉，即表面材料受变向载荷当应力循环次数达到一定数值时，即开始产生疲劳破坏。与此同时，硬微凸体经过多次接触和变形也会产生疲劳。因此，无论是硬表面还是较软的表面均可出现疲劳破坏而产生游离酌磨屑。,2根据表面疲劳磨损的发展情况可分为早期疲劳磨损新的摩擦副表面开始接触时，接触点很少，表面压强很高，当表面应力超过材料的疲劳极限时，即出现点蚀。随着磨合的进行，表面粗糙度降低，实际接触面积增大，因而表面应力减小。同时，摩擦过程使材料表
3、面产生冷作硬化效应，从而提高了表面的疲劳强度，最后使表面应力小于材料的疲劳极限，于是点蚀停止扩展这种情况在表面硬度较低而塑性较好的金属摩擦副中较为多见。破坏性疲劳磨损,实际上摩擦表面的接触是不连续的，载荷分布也不均匀，如果应力很高，即使在磨合之后，表面应力仍然超过材料的疲劳极限；此时点蚀无法停止，直至表面完全破坏，此情况常见于表面硬度较高而塑性较差和润滑不当的摩擦副中。除此之外，还有按照循环次数的高低进行分类的。由于摩擦学负荷通常与作用在表面上的机械应力有关，并且它的大小是随时间或位置的不同而不断改变的，所以在很多磨损过程中都伴随有疲劳磨损。它表现为裂纹的 逐渐形成和扩展，最后在受摩擦学负荷的
4、范围内脱落下一些颗粒状或片状磨屑，结果留下一些麻点和坑穴。用扫描电子显微镜有时还可以观察到复员线，说明裂纹呈间断式生长。还有垂直与运动方向的横向裂纹，也表明有疲劳磨损发生。当有很多裂纹同时扩展时，有可能产生磨屑。,疲劳裂纹一般在固体有缺陷的地方出现，这些缺陷可能是机械加工时造成的，也可能是材料在冶金过程中造成的，还可能在金属相之间和晶界之间形成。在摩擦磨损过程中，表面层发生塑性变形和发热，润滑油的作用等条件对疲劳磨损都会产生重要影响。通常人们把表面疲劳磨损分成两大类：（1）非扩展性疲劳磨损 在某些新的摩擦表面上，因接触点较少，压力较大，容易产生小麻点状的点蚀。经磨合后，接触面积扩大，实际压力降
5、低，小麻点停止扩展。这种疲劳磨损对运动速度不高的摩擦副影响不大。（2）扩展性疲劳磨损 作用在两接触面上的循环接触应力较大，由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。,疲劳磨损是通过薄膜表面的循环载荷产生的，将导致薄膜、界面和基体出现裂纹，进而产生断裂，材料分离以及磨屑。根据摩擦表层发生的现象，可以认为疲劳磨损过程是由三个发展阶段组成，即表面相互作用；在摩擦力影响下，接触材料表层性质的变化；表面的破坏和磨损微粒的脱离。,表面疲劳磨损的机理疲劳磨损形成的原因，按裂纹产生的位置有两种解释。（1）裂纹从表面产生 在滚动接触过程中，材料表层受
6、到周期性载荷作用引起塑性变形表面硬化，最后在表面出现初始裂纹，并沿与滚动方向呈小于45的倾角方向由表向里扩展。润滑油进入微裂纹、受挤压后产生楔裂作用加速裂纹的扩展。在载荷继续作用下，形成痘斑状的凹坑。,（2）裂纹从接触表层下产生 静弹性接触的赫芝理论表明，最大压应力发生在表面，而最大单向切应力则发生在表面下方深度为Zm处（平行圆柱体的Zm=0.78a,max=0.3pmax）。在滚动接触条件下，重要的应力参数是最大交变切应力，它比最大单向切应力更接近于表面。该处塑性变形最剧烈，在周期载荷作用下的反复变形使材料局部弱化、并在剪应力最大处出现裂纹，沿着最大剪应力方向扩展到表面，形成疲劳磨损。当两个
7、表面没有直接的固体接触，而是完全被一层的润滑油膜隔开时（全膜润滑），也存在着疲劳磨损的可能性。例如圆柱滚子副，当滚子之间有润滑油时，就产生一弹性流体动力润滑油膜，在润滑油流出一侧(出口)会形成一个压力峰。当速度超出某一临界值后压力峰值会超过赫芝压力。,不仅滚动摩擦过程，滑动摩擦过程也可能导致疲劳磨损。在研究滑动时微凸体接触点表面下区域内的弹塑性应力场及可能的位错相互作用时，提出了一种“剥层磨损理论”，它根据以下一系列过程来解释片状磨屑的产生：1.表面下产生位错；2.位错堆积；3.形成空穴；4.空穴汇合引起平行与表面的裂纹；5.当裂纹达到某一临界长度时，就产生片状磨屑。所有材料都可能发生疲劳磨损
8、。这种磨损是降低滚动轴承使用寿命的主要原因，当它们由于疲劳磨损出现麻点时，其使用寿命即将终结。,齿轮及凸轮挺杆摩擦副也可能遭受疲劳磨损出现麻点而失效。在流体动力润滑的轴承中油膜能传递交变机械应力，因此疲劳磨损也是其主要失效形式之一。此外，在冲击负荷下也会出现疲劳磨损；表面疲劳还是材料气蚀和流体浸蚀的主要损坏机理。疲劳磨损通常要经过较长的潜伏期后才出现剥蚀或剥落的磨屑。通常在潜伏期里磨损还达不到可测出的程度，而主要是通过组织变化以及裂纹形成和扩展为磨屑的形成 做准备。,因而疲劳磨损采用有效寿命（即开始正常工作到出现磨屑分离的时间）为其主要衡量磨损程度的指标；有时也采用失重法测定的数据作为参考。表面疲劳现 象具有很强的随机性，在相同条件下同一批试件得到的疲劳寿命之间相差很大。为了得到可靠的结论，相同条件下的试验批量必须大于10，并应按统计学方法处理数据。提高抗疲劳磨损的措施有：选用抗疲劳磨损能力强的材料、提高表面光洁度、使表面形成一定的残余压应力、保证装配精度。和磨屑的产生。,
