摩擦与磨损张程煜1228

7 7 接触疲劳接触疲劳l 接触疲劳：表面接触压应力长期反复作用下引起的一种表面疲劳现象l 常见于滚动轴承、铁轨和齿轮等零件。l 疲劳寿命分散性大n 接触应力接触应力l 两物体接触，在接触面上产生的局部压力为接触应力l 在接触应力作用下，材料由线(或点)接触变为面接触l 最大压应力在接触面的中心线(或点)上，最大切应力位于表层下线接触面接触接触面积为2bL板材下底面固定n 接触应力接触应力线接触面接触n 接触应力接触应力2max)(1byz212152.1RRRRELPb弹性力学：)11(418.021maxRRLPE21212EEEEE承受法向压应力后两圆柱体接触表面上的各应力分量主应力、主切应力分布图可能影响接触疲劳失效的切应力有两个：第一个是与y轴成45o的主切应力45第二个是正交切应力yz正交切应力分布图,(a)中1-在接触面上;2.3-分别在接触面下0.5b和1.0b处,(b)yz的作用面与方向。n 接触应力接触应力点接触面接触板材下底面固定接触疲劳也是一个裂纹形成和扩展过程。接触疲劳裂纹的形成也是局部金属反复塑性变形的结果。某些裂纹的不断扩展，就在金属表面上产生剥落。剥落后的断口反映了接触疲劳过程。断口大都呈扇形。扇轴处为疲劳源。随着时间推移，裂纹逆滚动方向放射扩展。n 损坏形式损坏形式接触疲劳剥落后的断口n 损坏形式损坏形式p 接触表面上出现深浅不一的针状或痘状凹坑,或较大面积表面压碎 点蚀：深度小于0.1-0.2mm的小块剥落 浅层剥落：深度一般为0.2-0.4mm 深层剥落：剥落坑大于0.4mm点蚀浅层剥落深层剥落n 损坏形式损坏形式点蚀：深度小于0.1-0.2mm的小块剥落。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。表面裂纹发展和润滑油作用示意图n 损坏形式损坏形式浅层剥落：剥落深度一般为0.2-0.4 mm。在纯滚动或摩擦力很小的情况下，次表层将承受着更大的切应力。因此，裂纹易于在该处形成。金属磨损的剥层理论认为，在法向和切向应力作用下，次表层将产生塑性变形，并在变形层内出现位错和空位，并逐步形成裂纹。剥层磨损裂纹形成示意图基体围绕硬质点发生塑性流动，将使空位在界面处聚集而形成裂纹。第二相硬质点和夹杂物加速作用n 损坏形式损坏形式深层剥落：这类剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。裂纹源往往位于硬化层与心部的交界处(过渡区)。该交界处是零件强度最薄弱的地方。如果其塑性变形抗力低于该处的最大合成切应力，则将在该处形成裂纹，最终造成大块剥落。硬化层裂纹示意图n 损坏形式损坏形式渗碳淬火试件的试验表明，当切应力/材料切变强度的比值大于0.6时，疲劳裂纹在硬化层和心部交界处产生和扩展，造成深层剥落；当切应力/材料切变强度的比值小于0.55时，就出现浅层剥落和点蚀，或者只出现点蚀。可见，这一比值的高低在一定程度上决定了疲劳裂纹源的位置与扩展方向，也决定了其失效类型。过渡区裂纹形成应力分析示意图n 损伤过程损伤过程p和其它疲劳一样，包括裂纹形成和裂纹扩展过程；p是切应力和材料切变强度交相作用的结果；p渗碳淬火时间的试验结果：切应力/材料切变强度0.6，疲劳裂纹在硬化层和心部交界处产生，深层剥落；切应力/材料切变强度0.55，浅层剥落或点蚀。n 接触疲劳试验方法接触疲劳试验方法接触疲劳试验机种类,(a)单面对放式,(b)双面对滚式,(c)止推式n 提高接触疲劳措施提高接触疲劳措施p 提高滚珠加工精度、表面质量和微观组织均匀性p 改善摩擦条件，如加入润滑剂p 较小接触应力显著提高接触疲劳寿命p 表面热处理提高断裂韧性p 提高冶金质量p 引入残余应力p 外部条件 摩擦类型、相对滑动速度、接触压力等；p 材料：与氧的化学亲和力及形成的氧化膜性质；抗粘着能力；力学性能；耐热性；与润滑剂相互作用的能力；p 材料的动态特性。不同外部条件和材料，磨损机制发生转化磨损类型亦随之变化8 8 耐磨性评价耐磨性评价p 耐磨性：材料抵抗磨损的指标p 用磨损量表示，分为：线磨损量、体积磨损量和重量磨损量p 磨损曲线三个阶段：1)跑合阶段；2)稳定磨损阶段；3)剧烈磨损阶段p 相对耐磨性与压力和相对滑动量成正比，与磨损量成反比n 磨损试验磨损试验p 方法：零件磨损和试件磨损试验p ASTM标准规定了超过20种固体磨损试验方法p 参考GB、ISO、DEN、JIS等标准。p 记录摩擦的变化可判断磨损过程，得到摩擦系数；p 测量磨损前后的质量和体积变化，确定磨损量；p 分析摩擦表面和磨损产物，研究磨损机制和工程磨损预测。分析摩擦表面和磨损产物，研究磨损机制和工程磨损预测。Al7%Si合金的磨损量与压力关系Al7%Si合金的平行于滑动方向的截面SEM照片,滑动速度0.5 m/s，压力:(a)10 N;(b)20 N;(c)50 N;(d)75 N摩擦与磨损实验摩擦与磨损实验Xiawei Yang,Wenya Li,Jiang Li,Tiejun Ma,Jia Guo.FEM analysis of temperature distribution and experimental study of microstructure evolution in friction interface of GH4169 superalloy.Materials&Design.2015,84:133-143摩擦与磨损实验摩擦与磨损实验J.Liu,et al.,Finite element implementation of a varied friction model applied to torsional fretting wear,Wear(2014),http:/dx.doi.org/10.1016/j.wear.2014.01.006i陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能l 耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损l 脆性材料对缺陷十分敏感分散性大l 试验结果的统计分析p 弹性模量p 强度p 断裂韧性p 热震性能陶瓷基本特点本课重点1 弹性模量弹性模量p 比金属弹性模量大得多：离子键和共价键；p 压缩模量高于拉伸模量；p 制备方法和原料影响大n 孔隙率的影响孔隙率的影响p 含少量球形空隙的陶瓷：p 其中：E0-致密材料的弹性模量，A=1.9；B=0.9p 固体泡沫陶瓷(p0.7)n 微裂纹的影响微裂纹的影响p 微裂纹由陶瓷晶粒热膨胀系数的各向异性引起；p 影响规律：其中：f=1.51.77，N-单位体积的微裂纹数目；a-微裂纹平均长度；p 弹性模量随微裂纹数目和长度增加而下降。2 强度强度p 影响因素：晶粒大小、工艺、缺陷、表面状态和测试方法等p 晶粒大小的影响满足Hall-Patch关系p 缺陷包括：微裂纹和孔洞 孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响（图中圆圈和黑方块为一些陶瓷的试验值）p 压缩强度远大于抗拉强度；压缩断裂机制压缩断裂机制一种压缩断裂机制一种压缩断裂机制陶瓷压缩断裂过程示意图，由a到e顺序发展表面状态的影响表面状态的影响表面划痕、缺口等降低强度不同的摩擦力对三种ZrO2弯曲强度的影响，图中Y-TZP为氧化钇稳定的四方氧化锆；Mg-PSZ为氧化镁部分稳定的氧化锆；Ce-TZP为氧化铈稳定的四方氧化锆(SK Lee等，2000)强度的概率分布强度的概率分布l 分散性大；服从Weibull分布l 拉伸：GB/T 23805-2009l 压缩：GB/T 8489-2006l 弯曲：GB/T 6569-2006测试方法测试方法金属与陶瓷强度的分布规律示意图。横坐标为应力，纵坐标f()为应力为时材料断裂的概率经2000C热处理不同时间后的Si3N4陶瓷弯曲强度的Weibull分布(N Hirosaki等，1993)。SN2、SN4和SN8分别代表2000C下热处理2h、4h和8h后的材料。3 断裂韧性断裂韧性p 远低于金属的断裂韧性l 陶瓷与金属复合增韧l 相变增韧l 微裂纹增韧增韧方法AlN-MoZrO2相变增韧相变增韧n 测试方法测试方法p 单边预裂纹梁(SEPB)法(GB/T 23806-2009)；p 双悬梁(DCB)法;p 双扭试件(DT)法p 压痕法4 热震性能热震性能l 定义：材料抵抗温度骤变不破坏的能力l 分为：热震断裂和热震损伤 抗热震断裂参数 抗热震损伤参数 热震后的强度退化本 章 完