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噴丸對(duì)齒輪接觸疲勞作用
--西安交大 何家文
一、接觸疲勞的磨損和剝落
相對(duì)滑動(dòng)物體表面的微突體接觸形成應(yīng)力峰，致表面磨損或剝落如圖 1。按深度區(qū)分，磨損或點(diǎn)蝕深度約 10μ，剝落深度 20-100μ，如圖 2。
圖 1
圖 2
圖3 顯示磨損形貌和剝落裂紋。圖 4 是齒輪接觸疲勞不同失效形式發(fā)生幾率，磨損或點(diǎn)蝕為多數(shù)。
圖 3
圖 4
二、硬度和殘余應(yīng)力作用
點(diǎn)蝕和剝落都由剪應(yīng)力引起，赫芝應(yīng)力在表下出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值是引發(fā)表下源的驅(qū)動(dòng)力，有裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。磨損在理論上也應(yīng)該有裂紋萌生，擴(kuò)展，但過(guò)程短且難區(qū)分，一般看作表面材料的移除，主要取決于硬度。滲碳齒輪硬度范圍內(nèi)磨損量和硬度成正比如圖 5。
圖 5
三、接觸疲勞有自身強(qiáng)化作用
接觸疲勞時(shí)相對(duì)滑動(dòng)，表面剪切變形，和噴丸、滾壓作用相似。圖 6 是中碳鋼表面接觸疲勞后生成細(xì)晶的白亮層，硬度比疲勞前提高一倍以上。圖 7 是鋼軌運(yùn)行不同里程的表面組織, 經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行逐漸形成白亮層。故硬度隨往復(fù)次數(shù)逐漸上升。
圖6
圖7
四、噴丸既是強(qiáng)化也有損傷
噴丸和接觸疲勞有相同硬化機(jī)理，掌握”度”成為利弊的關(guān)鍵。圖 8 為 20CrMnTi 滲碳齒輪噴丸前后的硬度和接觸疲勞強(qiáng)度。存在最佳噴丸強(qiáng)度，過(guò)高強(qiáng)度造成損傷，降低壽命。
圖8
圖9 是齒輪噴丸后接觸疲勞試驗(yàn)的 S-N 圖, 按原始接觸疲勞限 1580MPa 計(jì)，噴丸后提高近 15%。
圖9
圖10 是噴丸降低接觸疲勞壽命的實(shí)例。因?yàn)橛貌Ａ鑷娡瑁瑖娡鑿?qiáng)度低，但接觸疲勞的載荷卻很高，噴丸未起強(qiáng)化作用，反使壽命下降。
噴丸的負(fù)面影響是粗糙度提高，摩擦系數(shù)增加。當(dāng)今多用二次或多次噴丸，在保證強(qiáng)化的同時(shí)，改善表面形貌。
圖 10
五、噴丸強(qiáng)化提高接觸疲勞機(jī)理
接觸疲勞受剪應(yīng)力控制，為方便，此處用拉伸曲線說(shuō)明。周期載荷中有加載和卸載， 圖 11 曲線顯示在塑性區(qū)，用原來(lái)載荷加載，不會(huì)使材料變形，而是進(jìn)入彈性安定狀態(tài)。只有高于原載荷才發(fā)生變形，出現(xiàn)棘輪效應(yīng)。即接觸疲勞的應(yīng)變是一個(gè)逐漸積累過(guò)程，積累到一定程度，塑性耗盡就發(fā)生磨損或剝落。
圖 11
正常情況下接觸疲勞的應(yīng)變積累有相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程如圖 12。噴丸強(qiáng)化可以很快達(dá)到飽和值如圖 13。強(qiáng)化后表面具有高屈服強(qiáng)度，改變棘輪效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程，可以提高接觸疲勞壽命。
圖12
圖13
表面強(qiáng)化的殘余壓應(yīng)力是三維水靜應(yīng)力，雖然測(cè)得的是正應(yīng)力，但也可抑制傾斜裂紋的擴(kuò)展。圖 14 是滾珠鋼的殘余壓應(yīng)力對(duì)接觸疲勞破壞幾率的作用。圖 15 是不同殘余奧氏體經(jīng)不同滾壓力滾壓后接觸疲勞強(qiáng)度值，具體數(shù)值歸納為圖 16。
圖14
圖15
圖 16
六、材質(zhì)對(duì)接觸疲勞作用
剝落是裂紋萌生擴(kuò)展過(guò)程，疲勞裂紋選擇最薄弱部位延伸，如圖 17，強(qiáng)烈變形可以使組織均勻化。圖 18 是不同缺陷數(shù)的接觸疲勞失效幾率，經(jīng)表面均勻化，5 個(gè)缺陷的曲線可以和 1 個(gè)缺陷的曲線相重合。
圖 17
圖 18
七、潤(rùn)滑液添加劑起重要作用
齒輪一般在潤(rùn)滑條件下運(yùn)行，潤(rùn)滑油中的添加劑對(duì)接觸疲勞起關(guān)鍵作用。圖 19 是不同潤(rùn)滑狀態(tài)，發(fā)生磨損多為邊界潤(rùn)滑如圖 20。潤(rùn)滑液中的添加劑在齒輪表面形成吸附膜或反應(yīng)膜如圖 21。
齒輪用潤(rùn)滑液添加劑主要為極壓抗磨型，如二烷基二硫代磷酸鋅，圖 22。硫、磷和鋼表面有很強(qiáng)親和力，易于形成反應(yīng)膜。
圖22
圖 23 是金剛石鍍膜和鋼的磨損量比較。金剛石比鋼硬幾倍，無(wú)潤(rùn)滑下抗磨性遠(yuǎn)高于鋼，但用在有潤(rùn)滑的齒輪上，磨損量卻高于鋼，就是因?yàn)樘砑觿o(wú)法在金剛石表面形成減磨膜所致。
圖23
添加劑的少量變化會(huì)導(dǎo)致摩擦、磨損改變，圖 24 是在基礎(chǔ)潤(rùn)滑油中加 1%的不同添加劑，摩擦系數(shù)可能有成倍變化，且變化值隨外載而異。
圖24
目前國(guó)內(nèi)齒輪的接觸疲勞試驗(yàn)都是用臺(tái)架試驗(yàn)，潤(rùn)滑成為影響結(jié)果的重要因素。雖然可以用相同的潤(rùn)滑油，但供油量，油品不同程度老化等因素導(dǎo)致的分散度不可忽略。
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