固体表面接触疲劳失效研究

两个相互接触物体做相对运动，如滑动或滚动时，接触表面将产生接触应力，由于接触应力使材料表面疲劳而造成物质损失的现象称作接触疲劳。工程构件中，如轴承、齿轮、钢轨、凸轮和轧辊等在接触应力作用下，经过一定的应力循环之后，其工作表面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，由此而使零件工作时振动增加、噪声变大、温度升高、磨损加剧和效率降低，最后导致构件不能正常工作，这种现象称为接触疲劳失效。

1.接触疲劳的类型和失效特征

根据接触表面疲劳剥落初始裂纹的位置来分，有疲劳麻点剥落型和表面压碎剥落型两大类，见表7-4。

以齿轮和轴承为例，从齿轮和轴承的接触疲劳失效来看，当表面接触应力较小，摩擦力较大，表面质量较差（如脱碳、划伤、烧伤、淬火不足以及有夹杂物等）时，大多为疲劳麻点剥落型；与此相反者，则多属表面压碎剥落型。

表7-4 接触疲劳类型及特征

注：b为接触圆半径。

大量实践表明，很多实际构件的接触疲劳损坏不是单一的，既有麻点剥落的特征，又有表层压碎的特征。也就是说，同一种零件在同样工作条件下，可能出现两种破坏类型。有时在一个局部区域出现麻点剥落，而在另一个局部区域则出现表层压碎剥落。

2.接触疲劳的损伤过程

接触疲劳损伤和其他疲劳损伤一样，也是裂纹的产生和扩展的过程。但是，接触疲劳是在表面有摩擦的情况下，同时承受交变接触应力，使表面产生裂纹并随后扩展而成的。它与普通疲劳破坏的差别主要是存在着摩擦和磨损，接触表层发生塑性流动和发热等现象，并受液体润滑介质的作用。接触疲劳损伤初始裂纹有下面两种情况：

1）裂纹起始于表面的接触疲劳失效。在滚动体接触过程中，由于外加载荷的作用，表面层的应力及摩擦力引起表层或接近表层的塑性变形，使表层硬化、形成初始裂纹，最后导致麻点剥落。初始裂纹扩展方向与滚动方向呈小于45°的倾斜角，并由表面向里扩展，如图7-9所示。经过一定的交变加速后，裂纹扩展到某一深度剥落，形成表面麻点坑或痘斑状凹坑。

2）裂纹起始于亚表面的接触疲劳失效。两个相互接触的物体相对滑动加滚动时，在表面下0.786b（b为接触宽度之半）处，其剪切应力为最大，此处塑性变形最严重。在交变接触应力作用下而反复变形，使材料局部弱化并形成裂纹，随后沿最大剪切应力的方向扩展到表面，如图7-10所示，从而造成疲劳失效。若在表面层下最大剪切应力区附近有夹杂物等缺陷造成应力集中，则疲劳裂纹极易早期形成，导致过早失效。

图7-9 表面麻点起始位置示意图

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图7-10 裂纹起始于亚表面示意图

有关接触疲劳寿命的影响因素及控制方法，可以归纳为以下四类：

1）材料质量与显微组织的影响。对大量金属的接触疲劳失效分析表明，疲劳裂纹大多起始于脆性夹杂物所引起的应力集中处，它们在交变接触应力作用下，极容易与基体脱离形成空穴，当附件的应力集中超过基体材料的弹性极限时，引起强烈塑性变形，从而导致周围材料硬化形成裂纹，造成早期疲劳失效。

此外，金属复合材料显微组织中第二相的大小、分布是否均匀弥散也直接影响其疲劳抗力。以钢铁复合材料为例，当球墨铸铁中石墨数量过多且分布不均匀时，容易形成疲劳裂纹源，图7-11所示为球墨铸铁飞轮接触疲劳磨损的SEM照片^[22]。当轴承钢中未溶碳化物的含量大于6.5%时，也容易形成粗大晶粒及带状组织等缺陷，造成钢中基体含碳不均匀，使钢中马氏体基体强度也不均匀，加之碳化物带状组织中往往混有非金属夹杂物，均降低疲劳抗力。实践表明，钢中的碳化物以细小、均匀弥散分布为好。

2）热处理淬硬层的影响。淬硬层厚些可以使疲劳裂纹产生在硬化层内，提高接触疲劳抗力。淬硬层过浅，疲劳裂纹将产生在硬化层与心部的过渡区，容易产生表层压碎剥落。图7-12^[23]表示了凸轮表面在高频接触应力作用下，发生表层硬化区压碎剥落，这些剥落坑中多有显微裂纹的萌生，从而逐渐使凸轮表面失效^[23]。

图7-11 球墨铸铁飞轮接触疲劳磨损的SEM照片（石墨作为裂纹源）

图7-12 中频淬火凸轮表面疲劳剥落坑及其周围的裂纹

对于渗碳硬化层，以钢的渗碳层在热处理中的相变为例，当渗碳钢表层脱碳或贫碳时，奥氏体稳定性降低，马氏体含碳量改变，局部出现屈氏体或索氏体，并改变了表层残余应力分布，从而降低了表层抗剪强度，使零件疲劳抗力急剧下降。在外载荷一定的条件下，渗碳件心部强度或硬度高些，可抑制疲劳裂纹的产生。因此，适当提高渗碳钢心部硬度，可有效地提高接触疲劳寿命。

3）表面硬度与表面粗糙度的影响。一般来说，表面硬度越大、表面粗糙度越低，接触疲劳抗力越大。当然，表面硬度、表面粗糙度与接触疲劳寿命之间的关系，还取决于摩擦副的几何形状、转速和润滑油黏度等因素。

4）润滑条件的影响。根据弹性流体动压润滑理论，润滑油的黏度越高，接触部分的压力越趋于平均分布，抗接触疲劳的能力也越大。油的黏度越低，容易渗入裂纹中，加速裂纹扩展，降低寿命。润滑油中含水量过多，对接触疲劳有不利影响。油中加入适量的纳米粉体（如纳米Cu颗粒润滑剂），可提高接触疲劳抗力。

从以上产生接触疲劳破坏的原因，我们可以通过减少表面接触压应力、提高热处理质量（如使未溶碳化物达到“小、少、匀、圆”的要求），提高硬度、降低表面粗糙度、降低非金属夹杂物，改善润滑情况，采用表面涂镀层等方法来提高接触疲劳寿命。