接觸疲勞

接觸疲勞是指摩擦材料受法向載荷和切向載荷重複作用產生的疲勞。

基本介紹

• 中文名：接觸疲勞
• 外文名：contact fatigue
• 相關學科：材料科學與技術
• 相關行業：冶金
• 套用對象：金屬

介紹

接觸疲勞是工件(如齒輪、滾動軸承，鋼軌和輪箍，鑿岩機活塞和釺尾的打擊端部等)表面在接觸壓應力的長期不斷反覆作用下引起的一種表面疲勞破壞現象，表現為接觸表面出現許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點，也叫點蝕或麻點磨損。有的凹坑很深，呈“貝殼”狀，有疲勞裂紋發展線的痕跡存在。在剛出現少數麻點時，一般仍能繼續工作，但隨著工作時間的延續，麻點剝落現象將不斷增多和擴大，例如齒輪，此時嚙合情況惡化，磨損加劇，發生較大的附加衝擊力，噪聲增大，甚至引起齒根折斷。由此可見，研究金屬的接觸疲勞問題對提高這些機件的使用壽命有著重大的意義。

疲勞特性曲線

分類

點蝕

點蝕也稱表面磨損，是典型的塗層接觸疲勞失效模式，一般情況下，塗層接觸疲勞失效是在較低接觸應力作用下產生的。表現為在塗層磨痕軌跡範圍內出現大量的點蝕坑，點蝕坑深度較淺，只有20～30μm。隨著疲勞損傷的加劇，點蝕坑的數量增多、密度變大，直到塗層完全失效。

點蝕失效主要是由於粗糙的塗層表面微凸體與軸承球滾壓接觸時，微凸體發生強烈的塑性變形，並在滾動接觸區域形成黏著磨損而產生較大的剪下應力，微凸體在剪下應力的作用下而被去除，去除的微凸體會充當磨粒，在潤滑油的作用下會擠入滾動接觸區域，這時塗層、磨粒、滾動軸承三者形成三體磨料磨損。塗層粒子在磨粒、軸承球的循環往復作用下而發生疲勞剝離，在塗層表面形成原始的點蝕坑，。點蝕坑周圍的塗層粒子結構變的不穩定而極易剝離，並且剝落的塗層粒子會繼續充當磨粒加速三體磨料磨損過程，直到在塗層表面形成大量的點蝕坑。

剝落

剝落失效也是塗層典型的接觸失效模式之一，一般是在較高接觸應力作用下產生的，可以看出在塗層滾動接觸區域出現不規則形狀的剝落坑，剝落坑面積相比點蝕坑要大，剝落坑深度大約為 50～80 μm.剝落失效可能發生於滾動接觸區域內部，也可能超出滾動接觸區域。目 前對於剝落失效產生的機制還有沒有形成統一的定論。

大量的研究表明: 塗層剝落失 效主要與塗層近表面微觀缺陷處裂紋的萌生、擴展以及表面磨損行為有關，微缺陷處材料結構不穩定，在循環應力的作用下，裂紋極易在這些缺陷處萌生，萌生的裂紋主要沿著塗層粒子界面處擴展、連線，直到形成空間閉合，促使表面塗層粒子發生剝落，塗層粒子剝落後會在塗層表面形成凹坑，凹坑與軸承球高速接觸必然會加快凹坑周圍的塗層粒子繼續剝落。另外，剝落的塗層粒子會充當磨粒，這些磨粒擠入凹坑內塗層粒子界面裂紋間隙內，增加裂紋向外擴展的張力，加速裂紋向縱深的擴展，最終形成大面積的剝落坑。

分層

分層失效是在很高接觸應力作用下產生的，主要有層內分層失效和界面分層失效形式。分層區域面積較大，寬度較寬，一般都遠遠超出磨痕軌跡，深度較剝落坑深得多，一般為80～120 μm，並且有陡峭的呈梯度分布的邊緣，底部比較平整。塗層表面區域和分層失效底部區域的成分一致，這也側面證明了分層失效確實發生在塗層內部。

KurodaS等認為層內分層失效是由塗層內部最大剪下應力作用而產生的。在剪下應力最大值的位置，塗層不可避免的存在孔隙、裂紋、未熔粒子等微觀缺陷，在循環最大剪下應力作用下，這些微觀缺陷處就會萌發裂紋並促使其擴展。由於層狀結構之間為機械結合，結合強度較低，裂紋的擴展很容易導致層狀結構的分離而 產生層內分層失效。

Ahmed 等認為層內分層失效是最大正交應力和最大剪下應力綜合作用結果。首先，裂紋從最大正交應力的最大值處開始萌生並擴展，然後與相鄰裂紋連線並繼續擴展，最後再與最大剪下應力位置產生的裂紋相連線，並折向表面擴展而導致層內分層失效。

朴鐘宇等採用有限元分析的方法模擬了不同接觸應力條件下塗層內部剪下應力的分布情況，並研究了層內分層失效位置與最大剪下應力的位置之間的對應關係，結果表明多數分層失效的位置正是最大剪下應力的位置，這就充分印證了層內分層失效是由最大剪下應力控制的結論。塗層和基體的結合強度是影響塗層界面分層失效的關鍵因素。

影響因素

材料

車輪接觸疲勞損傷的影響因素主要表現為材料自身以及外部條件。對材料本身而言，可以運用真空熔煉技術在冶金工業中的套用。避免在車輪原材料的生產過程中滲入不利雜質，並且加入一些有利元素來降低滲碳體在材料中的含量，對珠光體-鐵素體的硬度比等進行有效控制。在注意這些因素的前提下，利用對車輪表面進行噴丸處理、滲碳、 滲氮等方法，並採用適當硬度和韌性的材料可以有地效提高車輪的滾動接觸疲勞壽命

重載

在重載條件下，一般從減輕鋼軌側磨及鋼軌波磨的形成等方面考慮，選用強度高、抗壓潰性和耐磨性強的鋼軌材料。而對於高速鋼軌材料的選擇，應考慮減輕高速鐵路鋼軌的疲勞損傷，要求鋼軌材料的韌性較大，材質具有較好的抗疲勞性能。

潤滑劑

潤滑劑對表面微觀裂紋尖端及接觸區域的影響的研究表明，只要裂紋中存在潤滑劑，就會對裂紋的應力強度因子產生影響，並會提高應力強度因子，但影響程度有差異，水的影響最大，礦物油次之，油脂的影響最小。潤滑劑對金屬接觸疲勞壽命的影響表現出一定的規律性:潤滑劑的摩擦係數和磨斑直徑越小，則潤滑性能、抗磨性能越好，其抗疲勞性能也越好。分析高速與重載鐵路鋼軌損傷與預防技術差異，可得高速鋼軌儘量不要採用輪軌潤滑技術預防損傷，應採取輪軌旋修的方式消除和抑制軌面損傷。由此可見，潤滑劑是滾動疲勞壽命中的一 個重要影響因素，合理地使用潤滑劑可以大大提高 輪軌的疲勞壽命。

軸承鋼

(1) 由於去除了碳化物的不利影響，無初始碳化物的貝氏體軸承鋼的疲勞性能比有初始碳化物的貝氏體鋼的更優異。碳化物作為軸承鋼的硬脆相，在滾動接觸疲勞試驗中會加速疲勞裂紋形成，從而降低貝氏體軸承鋼的疲勞性能。

(2) 在油潤滑狀態下滾動接觸疲勞過程中，碳化物脫落後，在試樣表面留下的凹坑增大了潤滑油和試樣表面的粘著力，從而提高了貝氏體軸承鋼的滾動接觸疲勞壽命。

(3) 在無潤滑狀態下，沒有或含少量碳化物的貝氏體軸承鋼的滾動接觸疲勞壽命明顯高於有或高含量初始碳化物的貝氏體軸承鋼的疲勞壽命。