表面疲勞磨損

表面疲勞磨損含義 兩接觸面作滾動或滾動滑動復合摩擦時，在循環接觸應力的作用下，使材料表面疲勞而產生物質損耗的現象叫做表面疲勞磨損。
表面疲勞磨損分類 非擴展性的表面疲勞磨損：在新的摩擦表面上，接觸點較少，單位面積上的壓力較大，容易產生小麻點的現象。隨著接觸的擴大，單位面積的實際壓力降低，小麻點停止擴大。對於塑性較好的金屬表面，因加工硬化提高了表面強度，使小麻點不能繼續擴展，機件可繼續正常工作。 擴展性的表面疲勞磨損。當作用在兩接觸面上的交變壓力較大時，由於材料塑性稍差或潤滑選擇不當，在磨合階段就產生小麻點。有的在短時間內，而有的在稍長時間內，小麻點就會發展成痘狀凹坑，使機件失效。
表面疲勞磨損機理 對表面疲勞磨損的研究表明，其磨損過程有兩個階段：首先是疲勞核心裂紋的形成；其次是疲勞裂紋的擴展，直至材料微粒的脫落。對於疲勞裂紋的形成和發展，有下述幾種理論。
最大剪應力理論 研究表明，在純滾動時，最大壓應力發生在表面上，最大剪應力則發生在表面下一定距離，即次表層內，裂紋起源於次表面，如圖2-21所示。 若此材料強度低或有缺陷（存在非金屬夾雜物或已有裂紋等），就會首先產生塑性變形，經一定的循環後產生疲勞裂紋。裂紋沿著最大剪應力方向或夾雜物分布走向發展，直至使摩擦表面破壞和形成磨損微粒而脫落。磨屑形狀多呈扇形，摩擦表面上留有各種形狀的“痘斑”狀點坑。
實踐表明，凡是潤滑條件優良、摩擦力小、表面材質好的滾動接觸表面，若出現疲勞磨損，裂紋的生成多發生在次表層。這種疲勞磨損的特點是裂紋生成階段小於裂紋擴展階段，即裂紋擴展緩慢，斷口比較亮。如果除純滾動接觸外，還帶有滑動接觸時，最大切應力的位置隨著滑動分量的增加向表面移動，則破壞位置也隨之向表面移動。

油楔理論 在滾動帶滑動的接觸過程中（如齒輪嚙合表面），由於外載荷作用，表層的應力和摩擦力引起塑性變形，導致表層軟化，最後在表面出現初始裂紋。裂紋起源於摩擦表面，裂紋方向與摩擦力方向一致。當有潤滑油時，潤滑油擠入裂紋中，在裂紋尖端處形成油楔，如圖2-22所示。如果滾動方向和裂紋開口方向一致，則滾動體接觸到裂口處，將把裂口封住。潤滑油使裂紋的兩壁承受很大壓力，從而使裂紋擴展。在交變載荷的作用下，材料斷裂。在接觸面留下深淺不同的麻點剝落坑。一般深度為0.1μm～0.2μm；如果滾動方向和裂紋開口方向相反，則當滾動體接觸到裂口時，裂紋內的潤滑油被擠出來，因而裂紋擴展緩慢，工作壽命長。 裂紋起源於表面的疲勞磨損的特點是裂紋生長階段大於裂紋擴展階段，即裂紋擴展階段快，斷口顏色較暗。

硬化過渡層破壞理論 經表面強化處理（滲碳、淬火等）的零件，其接觸疲勞裂紋往往並不是起源於最大剪切應力處，而是在表面硬化層與心部交界的過渡層，即裂紋起源於硬化層和心部過渡層。這是因為該處所承受的剪切應力較大，而材料的剪切強度較低。試驗表明，只要該處承受的剪切應力與材料的剪切強度之比大於0.55時，就可能在過渡區形成起始裂紋。 裂紋的發展一般是先沿平行於表面的方向擴展到一定長度後，再沿垂直或傾斜接觸表面的方向向外擴展，先是小的麻點剝落，然後是大塊剝落，形成表面壓碎現象。

表面疲勞磨損的影響因素

材料 在一定硬度范圍內，各種金屬材料隨硬度的提高，接觸疲勞強度也相應地提高，但並不永遠保持正比關系。如軸承鋼，當表面硬度為HRC62時，抗疲勞磨損能力最大。隨硬度的增加或降低，壽命均有較大的下降，如圖2-23所示。對齒輪來說，齒面硬度在HRC58～HRC62，心部硬度在HRC35～HRC40范圍內最佳。
潤滑油粘度 根據彈性流體動壓理論，潤滑油的粘度愈高，接觸部分的壓力愈接近平均分布，抗疲勞磨損的能力就愈高。油的粘度愈低，愈易滲入裂紋中，加速裂紋擴展，降低壽命。潤滑油中含水量過多對疲勞磨損有較大影響，須嚴格控制含水量。潤滑油中加入適當固體潤滑劑（MoS2）能提高抗疲勞磨損性能。
表面粗糙度 降低表面粗糙度，會相應提高抗疲勞磨損能力。接觸應力大小不同，對粗糙度的要求也不同。一般接觸應力大，對粗糙度要求高。硬度愈高的軸承和齒輪，對粗糙度的要求也愈高。
裝配精度 保證裝配精度，如對齒輪的裝配要防止和減輕齒面的對角接觸，保證接觸印痕總長不少於齒寬的60%，並且接觸印痕處在節圓附近，這就有可能避免出現早期麻點。