[科普中国]-接触疲劳

简介

接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳”状，有疲劳裂纹发展线的痕迹存在。在刚出现少数麻点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折断。由此可见，研究金属的接触疲劳问题对提高这些机件的使用寿命有着重大的意义。

分类点蚀点蚀也称表面磨损，是典型的涂层接触疲劳失效模式，一般情况下，涂层接触疲劳失效是在较低接触应力作用下产生的。表现为在涂层磨痕轨迹范围内出现大量的点蚀坑，点蚀坑深度较浅，只有20～30μm。随着疲劳损伤的加剧，点蚀坑的数量增多、密度变大，直到涂层完全失效。

点蚀失效主要是由于粗糙的涂层表面微凸体与轴承球滚压接触时，微凸体发生强烈的塑性变形，并在滚动接触区域形成黏着磨损而产生较大的剪切应力，微凸体在剪切应力的作用下而被去除，去除的微凸体会充当磨粒，在润滑油的作用下会挤入滚动接触区域，这时涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损。涂层粒子在磨粒、轴承球的循环往复作用下而发生疲劳剥离，在涂层表面形成原始的点蚀坑，。点蚀坑周围的涂层粒子结构变的不稳定而极易剥离，并且剥落的涂层粒子会继续充当磨粒加速三体磨料磨损过程，直到在涂层表面形成大量的点蚀坑。

剥落剥落失效也是涂层典型的接触失效模式之一，一般是在较高接触应力作用下产生的，可以看出在涂层滚动接触区域出现不规则形状的剥落坑，剥落坑面积相比点蚀坑要大，剥落坑深度大约为 50～80 μm.剥落失效可能发生于滚动接触区域内部，也可能超出滚动接触区域。目 前对于剥落失效产生的机制还有没有形成统一的定论。

大量的研究表明: 涂层剥落失 效主要与涂层近表面微观缺陷处裂纹的萌生、扩展以及表面磨损行为有关，微缺陷处材料结构不稳定，在循环应力的作用下，裂纹极易在这些缺陷处萌生，萌生的裂纹主要沿着涂层粒子界面处扩展、连接，直到形成空间闭合，促使表面涂层粒子发生剥落，涂层粒子剥落后会在涂层表面形成凹坑，凹坑与轴承球高速接触必然会加快凹坑周围的涂层粒子继续剥落。另外，剥落的涂层粒子会充当磨粒，这些磨粒挤入凹坑内涂层粒子界面裂纹间隙内，增加裂纹向外扩展的张力，加速裂纹向纵深的扩展，最终形成大面积的剥落坑。

分层分层失效是在很高接触应力作用下产生的，主要有层内分层失效和界面分层失效形式。分层区域面积较大，宽度较宽，一般都远远超出磨痕轨迹，深度较剥落坑深得多，一般为80～120 μm，并且有陡峭的呈梯度分布的边缘，底部比较平整。涂层表面区域和分层失效底部区域的成分一致，这也侧面证明了分层失效确实发生在涂层内部。

KurodaS等认为层内分层失效是由涂层内部最大剪切应力作用而产生的。在剪切应力最大值的位置，涂层不可避免的存在孔隙、裂纹、未熔粒子等微观缺陷，在循环最大剪切应力作用下，这些微观缺陷处就会萌发裂纹并促使其扩展。由于层状结构之间为机械结合，结合强度较低，裂纹的扩展很容易导致层状结构的分离而 产生层内分层失效。

Ahmed 等认为层内分层失效是最大正交应力和最大剪切应力综合作用结果。首先，裂纹从最大正交应力的最大值处开始萌生并扩展，然后与相邻裂纹连接并继续扩展，最后再与最大剪切应力位置产生的裂纹相连接，并折向表面扩展而导致层内分层失效。

朴钟宇等采用有限元分析的方法模拟了不同接触应力条件下涂层内部剪切应力的分布情况，并研究了层内分层失效位置与最大剪切应力的位置之间的对应关系，结果表明多数分层失效的位置正是最大剪切应力的位置，这就充分印证了层内分层失效是由最大剪切应力控制的结论。涂层和基体的结合强度是影响涂层界面分层失效的关键因素。1

影响因素材料车轮接触疲劳损伤的影响因素主要表现为材料自身以及外部条件。对材料本身而言，可以运用真空熔炼技术在冶金工业中的应用。避免在车轮原材料的生产过程中渗入不利杂质，并且加入一些有利元素来降低渗碳体在材料中的含量，对珠光体-铁素体的硬度比等进行有效控制。在注意这些因素的前提下，利用对车轮表面进行喷丸处理、渗碳、 渗氮等方法，并采用适当硬度和韧性的材料可以有地效提高车轮的滚动接触疲劳寿命

重载在重载条件下，一般从减轻钢轨侧磨及钢轨波磨的形成等方面考虑，选用强度高、抗压溃性和耐磨性强的钢轨材料。而对于高速钢轨材料的选择，应考虑减轻高速铁路钢轨的疲劳损伤，要求钢轨材料的韧性较大，材质具有较好的抗疲劳性能。

润滑剂润滑剂对表面微观裂纹尖端及接触区域的影响的研究表明，只要裂纹中存在润滑剂，就会对裂纹的应力强度因子产生影响，并会提高应力强度因子，但影响程度有差异，水的影响最大，矿物油次之，油脂的影响最小。润滑剂对金属接触疲劳寿命的影响表现出一定的规律性:润滑剂的摩擦系数和磨斑直径越小，则润滑性能、抗磨性能越好，其抗疲劳性能也越好。分析高速与重载铁路钢轨损伤与预防技术差异，可得高速钢轨尽量不要采用轮轨润滑技术预防损伤，应采取轮轨旋修的方式消除和抑制轨面损伤。由此可见，润滑剂是滚动疲劳寿命中的一 个重要影响因素，合理地使用润滑剂可以大大提高 轮轨的疲劳寿命。2

轴承钢的接触疲劳特性(1) 由于去除了碳化物的不利影响，无初始碳化物的贝氏体轴承钢的疲劳性能比有初始碳化物的贝氏体钢的更优异。碳化物作为轴承钢的硬脆相，在滚动接触疲劳试验中会加速疲劳裂纹形成，从而降低贝氏体轴承钢的疲劳性能。

(2) 在油润滑状态下滚动接触疲劳过程中，碳化物脱落后，在试样表面留下的凹坑增大了润滑油和试样表面的粘着力，从而提高了贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳寿命。

(3) 在无润滑状态下，没有或含少量碳化物的贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳寿命明显高于有或高含量初始碳化物的贝氏体轴承钢的疲劳寿命。3