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喷丸对齿轮接触疲劳作用
--西安交大 何家文
一、接触疲劳的磨损和剥落
相对滑动物体表面的微突体接触形成应力峰，致表面磨损或剥落如图 1。按深度区分，磨损或点蚀深度约 10μ，剥落深度 20-100μ，如图 2。
图 1
图 2
图3 显示磨损形貌和剥落裂纹。图 4 是齿轮接触疲劳不同失效形式发生几率，磨损或点蚀为多数。
图 3
图 4
二、硬度和残余应力作用
点蚀和剥落都由剪应力引起，赫芝应力在表下出现剪应力峰值是引发表下源的驱动力，有裂纹萌生和扩展过程。磨损在理论上也应该有裂纹萌生，扩展，但过程短且难区分，一般看作表面材料的移除，主要取决于硬度。渗碳齿轮硬度范围内磨损量和硬度成正比如图 5。
图 5
三、接触疲劳有自身强化作用
接触疲劳时相对滑动，表面剪切变形，和喷丸、滚压作用相似。图 6 是中碳钢表面接触疲劳后生成细晶的白亮层，硬度比疲劳前提高一倍以上。图 7 是钢轨运行不同里程的表面组织, 经长期运行逐渐形成白亮层。故硬度随往复次数逐渐上升。
图6
图7
四、喷丸既是强化也有损伤
喷丸和接触疲劳有相同硬化机理，掌握”度”成为利弊的关键。图 8 为 20CrMnTi 渗碳齿轮喷丸前后的硬度和接触疲劳强度。存在最佳喷丸强度，过高强度造成损伤，降低寿命。
图8
图9 是齿轮喷丸后接触疲劳试验的 S-N 图, 按原始接触疲劳限 1580MPa 计，喷丸后提高近 15%。
图9
图10 是喷丸降低接触疲劳寿命的实例。因为用玻璃丸喷丸，喷丸强度低，但接触疲劳的载荷却很高，喷丸未起强化作用，反使寿命下降。
喷丸的负面影响是粗糙度提高，摩擦系数增加。当今多用二次或多次喷丸，在保证强化的同时，改善表面形貌。
图 10
五、喷丸强化提高接触疲劳机理
接触疲劳受剪应力控制，为方便，此处用拉伸曲线说明。周期载荷中有加载和卸载， 图 11 曲线显示在塑性区，用原来载荷加载，不会使材料变形，而是进入弹性安定状态。只有高于原载荷才发生变形，出现棘轮效应。即接触疲劳的应变是一个逐渐积累过程，积累到一定程度，塑性耗尽就发生磨损或剥落。
图 11
正常情况下接触疲劳的应变积累有相当长的过程如图 12。喷丸强化可以很快达到饱和值如图 13。强化后表面具有高屈服强度，改变棘轮效应的发展过程，可以提高接触疲劳寿命。
图12
图13
表面强化的残余压应力是三维水静应力，虽然测得的是正应力，但也可抑制倾斜裂纹的扩展。图 14 是滚珠钢的残余压应力对接触疲劳破坏几率的作用。图 15 是不同残余奥氏体经不同滚压力滚压后接触疲劳强度值，具体数值归纳为图 16。
图14
图15
图 16
六、材质对接触疲劳作用
剥落是裂纹萌生扩展过程，疲劳裂纹选择最薄弱部位延伸，如图 17，强烈变形可以使组织均匀化。图 18 是不同缺陷数的接触疲劳失效几率，经表面均匀化，5 个缺陷的曲线可以和 1 个缺陷的曲线相重合。
图 17
图 18
七、润滑液添加剂起重要作用
齿轮一般在润滑条件下运行，润滑油中的添加剂对接触疲劳起关键作用。图 19 是不同润滑状态，发生磨损多为边界润滑如图 20。润滑液中的添加剂在齿轮表面形成吸附膜或反应膜如图 21。
齿轮用润滑液添加剂主要为极压抗磨型，如二烷基二硫代磷酸锌，图 22。硫、磷和钢表面有很强亲和力，易于形成反应膜。
图22
图 23 是金刚石镀膜和钢的磨损量比较。金刚石比钢硬几倍，无润滑下抗磨性远高于钢，但用在有润滑的齿轮上，磨损量却高于钢，就是因为添加剂无法在金刚石表面形成减磨膜所致。
图23
添加剂的少量变化会导致摩擦、磨损改变，图 24 是在基础润滑油中加 1%的不同添加剂，摩擦系数可能有成倍变化，且变化值随外载而异。
图24
目前国内齿轮的接触疲劳试验都是用台架试验，润滑成为影响结果的重要因素。虽然可以用相同的润滑油，但供油量，油品不同程度老化等因素导致的分散度不可忽略。
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