第07章金属磨损和接触疲劳-材料力学性能

第七章金属磨损和接触疲劳机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动＋滑动，都会产生摩擦，引起磨损。如：轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。

有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。1

磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗于摩擦，大约80％的机件失效是磨损引起的。汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。2§7-1磨损概念

一、摩擦与磨损现象1、金属表面形貌和性质⑴金属表面形貌

◆金属表面无论经过何种精密加工，表面总不会是完全平滑的。

◆表面由波峰和波谷组成，峰骨起伏程度越大，表面越粗糙。

◆对磨损来说，除峰高和谷深对磨损有影响外，峰顶的曲率半径、坡度以及谷的形状也有很重要的影响。如图所示3⑵金属表面的结构和组织金属表面因加工过程和处于其中的介质不同，使金属表面有不同的结构和组织。如图所示◆在最表面因环境中的油污、灰尘等形成的污染膜，厚度可达几百埃；◆因加工过程中的热量和塑性变形产生的加工变质层（又称毕氏层）。磨削量越大，冷却条件越差，则此层越厚，精磨达0.055μm，粗车可达10μm；

◆由于与空气中氧作用生成金属氧化膜，其厚度可达100～200埃；4◆由于表面的原子与金属基体内部的原子所处环境不同，具有较高的能量。因此，对周围介质中存在的分子有较强的吸引力，通过物理或化学的吸附形成气体分子或液体分子吸附层。该层厚度可从几十埃到几千埃之间变化；◆在金属表面内部有塑性变形层（金相观察时，称扰乱层），厚度及变形程度视变形能量不同而变化；

◆金属表面层还存在着残余应力。

表面的复杂结构和组织残余应力均对磨损产生影响。如氧化膜可减少磨损，残余应力加剧磨损。52、摩擦两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力。最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=μN，式中μ称为摩擦系数。

这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。6

摩擦力来源于两个方面：◆因微观表面凸凹不平，实际接触面积极少(大致在1/10000～1/10的范围内变化)，这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；

◆由于微观表面凸凹不平，导致一部分阻止另一部分运动（机械阻力）。要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。7

用来克服摩擦力所做的功一般都是无用功，在机械运动中常以热的形式散发出去，使机械效率降低。减小摩擦偶件的摩擦系数，可以降低摩擦力，即可以保证机械效率，又可以减少机件磨损。而要求增加摩擦力的情况也很多，在某些情况下却要求尽可能增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器等。8

润

滑摩擦吸收了机器中的大量功，这部分功大多在滑动表面上转化为热，它可以损伤甚至熔化轴承，为使摩擦力最小，需使接触表面尽可能容易地滑动。要做到这点，一种显而易见的办法是在接触部分涂抹上一层物质，它即能承受轴承的表面压力，以防止原子-原子间的接触，又应该容易切过自身，从而减小摩擦阻力。93、磨损

⑴定义：机件表面接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不相同的碎屑），使表面材料逐渐损失（导致机件尺寸变化、重量损失）、造成表面损伤的现象，称为磨损。摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象，摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。10⑵磨损是一个复杂的过程：磨屑的形成是金属表面变形和断裂过程。金属磨损是发生在两相对运动的表面之间的一个非常复杂的过程。

◆当两个相互接触的物体在压力作用下，金属表面发生弹性变形及塑性流动时，使表面膜破坏，暴露出未经任何氧化及被油污染的金属。这部分原子之间的活性特别强，很容易粘合（冷焊）在一起。

◆在切向力的作用下会剪断，并粘附在其中一个表面上，而去磨另一表面。11

◆如果粘附现象发展的很严重，驱动力无法将其克服，就会发生咬合现象(如生产中的抱轴)。

◆当速度或载荷高时，摩擦表面温度会升高，使表面层发生回火，甚至二次淬火。同时周围介质中的氧和氮以及润滑油中的碳会向金属内扩散，形成固溶体或化合物，并使其变脆而脱落，脱落的颗粒成为磨粒又可能去磨损摩擦表面。所以磨损的过程不是简单的力学过程，而是物理的、力学的和化学过程极为复杂的综合，是极为错综复杂的过程。12⑶影响磨损的因素：摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。（如图所示）⑷磨损过程机件正常运行的磨损过程一般分为三个过程。如图所示

跑合阶段（磨合阶段）：磨损速率逐渐减少。

稳定磨损阶段：磨损速率恒定；大多数机械零件均在此阶段服役。

剧烈磨损阶段：磨损速率急剧增大。13二、耐磨性1、分类：机件表面的磨损不是简单的力学过程，而是物理的、力学的和化学过程极为复杂的综合。理论上还不成熟，因此，分类方法也不统一。

按磨损的破坏机理，磨损可分为：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（接触疲劳）、腐蚀磨损。

按机件表面磨损状态，磨损可分为：连续磨损、粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面塑性流动。142、耐磨性⑴定义：耐磨性是材料抵抗磨损的性能。通常用磨损量来表示，磨损量越小，耐磨性越高。⑵磨损量的表示方法：有线磨损、体积磨损、质量磨损、比磨损量、相对耐磨性（ε）。材料的耐磨性与摩擦系数并无直接关系，摩擦系数低，并不意味着耐磨性高。15§7-2磨损模型一、粘着磨损1、磨损机理粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损，其表面形貌如图7-2所示。16形成粘着点后的分离部位，可能有二种情况如图所示：粘着点，粘着点两侧（取决于强度），以粘着点结合强度比摩擦偶件的两基体金属都弱，则磨损极为轻微。若剪切应力低于粘着点结合强度时，两摩擦偶件会产生咬死而不能相对运动。如：不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中就经常发生这种现象。

若摩擦偶件只受法向载荷作用，且存在表面薄膜（如油膜、氧化膜等），则不易产生粘着。172、磨损量的计算（简介）在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度σsc的三倍。如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面上的法向力为F，则有：假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也是d，则所以18再假设每一粘着点滑过距离也为d，则单位滑动距离内形成的粘着点数N为假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损体积为：

所以：积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为：19式中lt－总滑动距离α－系数H－材料硬度上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离呈正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬度）呈反比，而与表观接触面积无关。

如果压缩屈服强度（或硬度）较高，则因其难于塑性变形不易粘着转移而使磨损减小。20

如果压缩屈服强度（或硬度）一定，材料塑性较好，则在相同法向力条件下可以产生较大塑性变形，使真实接触面积增加，因降低了单位面积上的法向力也可减小磨损量，此即意味着材料的磨损量与塑性呈反比。上式又可改写成：式中δ－材料的断后伸长率。σsc与δ的乘积为材料的韧性。可见，粘着磨损的体积磨损量随较软一方材料的压缩屈服强度和韧性增加而减小。其实，从粘着磨损机理来看，增加硬度能减少磨损，但在材料韧性增加时，由于延缓断裂过程，所以也能使磨损量减少。213、影响因素⑴材料◆塑性材料比脆性材料易于粘着。◆互溶性大的材料组成的摩擦副粘着倾向大。◆单相合金比多相合金粘着倾向大。

◆固溶体比化合物粘着倾向大。

◆金属与金属组成的摩擦副比金属与非金属组成的摩擦粘着倾向大。22⑵外力摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验结果表明，当接触压应力超过材料硬度H的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时会产生咬死现象。因此，设计时选择的许用应力必须低于材料硬度值的1/3，以免产生严重的粘着磨损。⑶滑动速度

随摩擦速度增大粘着磨损量增加，但达到某一极限值后又随滑动速度增加而减小。23⑷其它

◆表面粗糙度：降低表面粗糙度将增加抗粘着磨损能力，过低将导致润滑油难于储存在摩擦面内而促进粘着。

◆表面温度：其影响与滑动速度一致。◆润滑状态：好的润滑状态将显著降低粘着磨损量。244、改善粘着磨损耐磨性的措施磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件三种主要失效形式（磨损、腐蚀、断裂）之一。金属材料的磨损主要是发生在表面的变形和断裂过程，所以，提高摩擦副表面的强度（或硬度）和韧性，可以提高耐磨性。对粘着磨损而言：⑴注意摩擦副配对材料的选择。如，滑动轴承选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。25⑵采用表面化学热处理改变材料表面状态。渗硫、渗磷、渗氮等方法，使表面形成一层化合物或非金属层，避免摩擦副直接接触，既降低原子之间的结合力，又减小摩擦系数，可防止粘着。⑶控制摩擦滑动速度和接触压应力。⑷改善润滑条件，提高氧化膜与基体的结合力，可以阻止金属之间直接接触、增强氧化膜的稳定性。从而提高耐磨性。26二、磨粒磨损1、磨损机理⑴定义：当摩擦副一方表面坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着坚硬粒子时所产生的一种磨损。前者为两体磨损，后者为三体磨损。如图所示⑵分类按所受应力的大小不同，可分为：

◆低应力擦伤性磨粒磨损：它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。27

◆高应力碾碎性磨粒磨损：其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。

◆凿削式磨粒磨损：其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。⑶特征：

摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。如图所示28⑷磨损机理与特点：

磨粒与摩擦表面之间的相互作用，与机械加工中切削刀具与工件的相互作用类似。

对于韧性材料：◆在锐刃的硬粒子作用下，每一磨粒从表面切下的是一个连续的屑。◆在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，只能被犁皱，形成沟槽。

对于脆性材料：◆在锐刃的硬粒子作用下，一个磨粒切下的是许多断屑。◆在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，沟槽是由裂纹扩展和表面材料呈碎片脱落而引起的。292、磨损量的计算现以两体磨粒磨损为例，推导以切削作用为主要磨粒磨损量计算式。根据模型（如图所示），在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为圆锥体）被压入软材料中。当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触面积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停止下来：30凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），即磨损量V：由上两式得：因金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：

(7-11)

(7-12)

31

可见，磨粒磨损量与法向力、摩擦距离呈正比，与材料硬度呈反比，同时还与硬材料凸出部分或磨粒的形状有关。实际上：

◆因磨粒的棱面相对摩擦表面的取向不同，只有一部分磨粒才能切削表面产生磨屑；◆大部分磨粒嵌入软材料中，使之产生塑性变形，造成擦伤或形成沟槽。

◆堆积在沟槽两侧的材料，只有在随后的运动过程中有一部分能形成磨屑。323、影响因素⑴材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨损的能力越好。

相同硬度时，钢中含碳量越高，碳化物形成元素越多，则耐磨性越好。如图所示(2)断裂韧度的影响，如图所示

(3)显维组织：M>F；相同硬度时，B下>M回；细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性；碳化物：软基体中分布时，提高耐磨性；硬基体中分布时，降低耐磨性。33(4)加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不同而有不同：

◆在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响；◆在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。(5)在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。如图所示

磨粒磨损也有有利的一面，如：抛光、挫削、砂轮磨削、砂轮切割等。344、改善磨粒磨损耐磨性的措施⑴对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度。这是提高耐磨性的最有效的措施。例如选用含碳较高的钢并获得马氏体组织；如果磨粒磨损机理是塑性变形，或塑性变形后疲劳破坏（低周疲劳）、脆性断裂，则提高材料韧性对改善耐磨性有益。此时用等温淬火获得下贝氏体（良好的硬度和韧性），消除基体初生碳化物，并使二次碳化物均匀弥散分布以及含有适量残余奥氏体等都能改善抗磨粒磨损能力。35⑵根据机件服役条件，合理选择耐磨材料。

◆在高应力冲击载荷下（颚式破碎机齿板粉碎难破碎矿石时），要选用高锰钢，利用高韧性和高的硬化能力，可得到高耐磨性。◆在滑动接触式连续性重载下（挖掘机刀头），则应选用硬质合金、高铬白口铸铁，或经过二次硬化处理的基体钢。◆在冲击载荷不大的低应力磨损场合（车床主轴轴头、水泥球磨机衬板、拖拉机履带板等）用中碳低合金钢并经淬火回火处理，可得到适中的耐磨粒磨损性能。36⑶用渗碳、碳氮共渗等化学热处理提高表面硬度也能有效提高耐磨粒磨损性能。⑷防尘、清洗均对减轻磨粒磨损有效。经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入接触面，也是有效措施。37三、腐蚀磨损在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀磨损。腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称腐蚀机械磨损。

分类：

氧化磨损、微动磨损、冲蚀磨损（又称气蚀）、特殊介质腐蚀磨损（常见于化工机械，一般机械中比较少见）。38

（一）氧化磨损1、氧化膜的形成过程：大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。2、氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随着又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。393、宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产生为红褐色三氧化二铁（Fe2O3）或黑色四氧化三铁Fe3O4。是最广泛的一种磨损，其磨损速率最小，仅为0.1～0.5μm/h，属于正常磨损。

氧化磨损不一定有害，如果氧化磨损先于其它类型磨损产生和发展，则氧化磨损是有利的。404、影响氧化磨损速率或磨损量的因素：(1)摩擦副表面层对塑性变形的抗力；(2)氧在金属中的扩散速率；(3)氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固程度；(4)摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等。41

（二）微动磨损1、微动：在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。2、微动磨损：接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。如图所示423、微动磨损过程：有三个阶段

第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；

第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化；

第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。

因微动磨损集中在局部地区，又因两摩擦表面永不脱离接触，磨损产物不易向外排出，故兼有氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损的作用。434、特征：接触区存在红色Fe2O3粉末，铝件的磨损产物为黑色。

5、影响因素:震动时间、次数；振幅、震动频率；载荷；氮等不活泼气体比空气湿度大的气体环境磨损量小。在微动磨损的产生处往往形成蚀坑（所以微动磨损又称为咬蚀），其结果不仅使部件精度、性能下降，更严重的是引起应力集中，导致疲劳破坏。

生产中的实例：键槽处、蒸汽锤的锤杆与锤头结合处、搭接接头处、发动机固定件及离合器等。44（三）冲蚀磨损1、定义：液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损称为冲蚀磨损。一般情况下，松散尺寸小于100μm，冲击速度小于550m/s。2、分类：按照携带粒子的介质不同，冲蚀磨损可分为：气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损和气蚀磨损（如表所示）。气固冲蚀磨损又称喷砂型冲蚀磨损，是最常见的冲蚀磨损。453、磨损机理表面材料流失主要是机械力引起的。在高速粒子不断冲击下，塑性材料表面逐渐出现短程沟槽和鱼鳞状小凹坑（冲蚀坑），且变形层有微小裂纹。

塑性材料表面冲蚀坑是在短程微切削和塑性变形作用下形成的。在粒子反复冲击、材料反复塑性变形下形成磨屑，材料流失。

脆性材料（陶瓷、玻璃等）冲蚀磨损是裂纹形成与快速扩展的过程。464、影响因素主要有⑴环境因素：如冲击角、粒子速度及浓度、冲击时间、温度及介质；⑵粒子性能：如粒度、形状、硬度、密度、可碎性等；⑶材料性能：如硬度、强度、韧性和物理性能。5、措施

⑴减小入射粒子和介质的速度；⑵改变冲击角减轻冲蚀，塑性材料尽量避免在20°～30°之间服役，脆性材料则应避免粒子垂直入射；⑶合理利用粒子浓度和粒度；⑷合理设计机件形状；⑸选用耐冲蚀的材料及表面处理方法。47§7-3磨损试验方法一、试验方法的分类：

实物试验：即以实物零件在机器实际工作条件下进行试验，或者用实物零件在模拟机械使用条件的试验台上进行试验。与实际情况一致或接近一致，试验结果的可靠性高；但所需时间长，外界因素的影响难于掌握和分析。48

试验室试验：即将欲试材料制成规定试样，在规定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验。试验时间短、成本低、易于控制各种因素的影响；但试验结果不能直接表明实际情况。研究重要机件的耐磨性时，往往兼用两种方法。49二、试验原理1、类别：试验室试验所用磨损试验机的原理有：销盘式、销筒式、往复运动式、MM式、砂纸磨损试验、快速磨损试验。如图所示2、选择：应按照摩擦副运动方式（往复、旋转）摩擦方式（滚动或滑动）

确定试验方法及所用试样形状及尺寸，并使试验力、速度、和温度等因素尽可能接近试验条件。

试样要求：一般至少4～5对摩擦副（因试验结果分散度大），并应保证相同的精度及表面粗糙度。503、磨损量的测量方法⑴称重法用分析天平⑵测长法

◆划痕法：如图所示。用金刚石锥体绕x-x轴旋转，在试样上划一小坑，轴距锥尖为r，划坑长为L1，坑深h1为：h1=L12/8r磨后再求h2，坑深为：△h＝h1-h2。

◆压痕法：使用维氏硬度计压头，测出磨损前后试样上压痕对角线长度的变化，换算成深度变化（7倍关系）。514、对磨屑分析磨屑与断口一样反映断裂过程各阶段的信息，通过对使用过的润滑剂作污染物分析，是检测和评定材料磨损的良好方法。——铁谱技术。52§7-4金属接触疲劳

一、接触疲劳现象与接触应力（一）接触疲劳现象1、定义：机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小片状金属剥落而使物质损伤的现象，又称表面磨损或疲劳磨损。2、宏观特征：在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发展的痕迹。如图所示533、分类：根据剥落裂纹起始位置及形态不同，可分为以下三种：⑴麻点剥落（麻点）：0.1～0.2mm以下的小块剥落，呈针状或痘状凹坑截面呈不对称V形。如图所示⑵浅层剥落：深度在0.2～0.4mm，剥落底部大致和表面平行，裂纹走向与表面呈锐角或垂直。⑶深层剥落（压碎性剥落）：深度与表面强化深度相当，裂纹走向与表面垂直。如图所示544、过程：为裂纹形成和扩展两个阶段。5、接触疲劳曲线分两种：有明显的接触疲劳极限和没有明显的接触疲劳极限。接触疲劳破坏与表面层塑性变形有关。少量麻点剥落不影响机件的正常工作，但随着时间的延长，麻点尺寸逐渐变大，数量也不断增多，机件表面受到大面积损坏，结果无法继续工作而失效。对齿轮而言，麻点越多，啮合情况越差，噪音越来越大，振动和冲击也随之加大，严重时甚至可能将轮齿打断。齿轮、轴承、钢轨、轮毂的表面经常出现接触疲劳失效。55（二）接触应力1、接触应力：两物体相互接触时，在表面产生的局部压入应力称为接触应力。按接触面初始几何条件不同可分为：

线接触：如齿轮的接触；滚动轴承（滚动体为滚柱、滚针）的接触。

点接触：如滚动轴承（滚动体为球体）的接触。56⑴线接触时的接触应力假设两圆柱体的半径分别为R1、R2，长l，未变形前两者为线接触，施加法向力后，因弹性变形变为面接触，接触面积2bl，如图所示。据弹性力学分析，接触压应力沿y轴按半椭圆柱规律分布，在接触中间（y=0）处，接触压应力达到最大值，所以：57在法向力的作用下，接触面有三向主应力，沿接触深度方向的分布如图所示。在一定接触深度下σz>σy>σx；σz>σ>xσy，相应的最大切应力为：

这三个最大切应力分别作用在与主应力作用面互成45°方向的平面上，在接触中心下0.786b处，τzy45°值最大。在接触面下0.5b、y＝±0.85b处所受切应力τ0max最大。58⑵点接触时的接触应力施加法向应力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或圆。如：滚珠与轴承套圈接触，接触面为椭圆；球与球或球与平面接触，接触面为圆。接触面为椭圆时，如图所示，接触应力按半椭圆球规律分布，且对于半径为R的圆球和平面的点接触，按弹性力学计算，接触圆半径：59可见，点接触时：

圆球与平面接触，最大切应力τzy45°也在接触中心下0.786b处。

两球接触时，最大切应力τzy45°在接触区下0.5b处。在有滑动时，摩擦力与最大切应力τzy45°叠加的最大综合切应力的最大值，从0.786b处向表面移动。60二、接触疲劳破坏机理接触疲劳破坏裂纹的形成也是金属局部反复塑性变形的结果，因此，最大综合应力的分布和大小就具有决定性的意义。在最大综合应力出现的位置，如果金属强度不足，则会引起塑性变形，经多次循环作用之后，就会产生裂纹。根据最大综合切应力的分布和材料强度分布的相互比较，可以决定裂纹产生的位置和接触疲劳类型。611、麻点剥落◆条件：滚动接触，表面最大综合切应力作用。◆形成过程，如图所示◆影响：表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）时，易产生麻点剥落。前者因为表面最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较低引起的。622、浅层剥落裂纹产生于亚表层，位置与τ0max相当，在0.5b附近。因该处切应力最大，塑性变形最易进行。在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹。二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。如图所示633、深层剥落（压碎性剥落）

机理：深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。如图所示

影响因素：表面硬化机件心部硬度太低、硬化层深不合理、梯度太陡或过渡区存在不利的应力分布都易造成深层剥落。64三、触疲劳试验方法

不同材料或同一材料经不同热处理后，其接触疲劳强度用接触疲劳曲线σmax-N（与高周疲劳的S-N曲线类似）来描述。

σmax是按赫兹公式计算出来的最大压应力，N为破坏循环周次。典型的接触疲劳曲线如图所示，水平部分对应的应力为接触疲劳极限，斜线为过载持久值。65测定接触疲劳极限时，循环基数N0一般取107次，并规定：当试样上深层剥落面积大于或等于3mm2或当试样上麻点剥落（集中区）在10mm2面积内出现麻点率达15%的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。试验在疲劳试验机上进行，试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。如图所示66四、影响接触疲劳寿命的因素（一）内部因素1、非金属夹杂物轴承钢的接触疲劳寿命对非金属夹杂物极为敏感。轴承钢的非金属夹杂物有三类：

◆塑性的（如硫化物）

◆脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）

◆球状的（如硅钙酸盐、铁锰酸盐）。以脆性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳的影响最大。672、热处理组织状态⑴M的含碳量：承受接触疲劳的机件一般采用高碳钢（如轴承钢）或渗碳钢（如汽车变速箱齿轮）。在未溶碳化物状态相同的条件下，轴承钢内M的含碳量为0.4％～0.5％时，接触疲劳寿命最高。⑵M和A′的级别M针越粗大、A′越多，渗碳层强度越低、残余压应力越小，越易产生显微裂纹，接触疲劳寿命降低。⑶未溶碳化物和带状碳化物对高碳轴承钢而言，未溶碳化物颗粒越粗大，接触疲劳寿命降低越明显。683、表面硬度与心部硬度⑴表面硬度在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度升高而增大。轴承钢表面硬度为62HRC时，其平均寿命最高。表面脱碳导致表面硬度降低，形成残余拉应力，从而降低接触疲劳寿命。⑵心部硬度：渗碳件心部硬度太低会导致硬度梯度过大，易在过渡区形成裂纹而产生深层剥落。经验证明，渗碳齿轮心部硬度以35～40HRC为宜。694、表面硬化层深度为防止表层产生早期麻点或深层剥落，渗碳的齿轮需要