硬度對疲勞壽命的影響

1、硬度對疲勞壽命的影響一、概述齒輪表面硬度測試分兩組，每組10個(gè)齒輪，它們滲碳和硬化的相同的AISI9310材料,相同的加工溫度條件下制成的。每組都是由標(biāo)準(zhǔn)研磨齒輪表面加工成的。第二組對齒輪齒面和齒根進(jìn)行額外的噴丸加工處理，來減少殘余表面壓應(yīng)力。齒輪節(jié)圓直徑為8.89cm。測試條件是：齒輪溫度350K,最大赫茲應(yīng)力的1.71x109N/m2,和lOOOOrpm的速度。結(jié)果表明，噴丸的標(biāo)準(zhǔn)齒輪壽命是沒有噴丸壽命的1.5倍，殘余應(yīng)力測試表明，噴丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力越高的齒輪疲勞壽命越長。噴丸齒輪之所以壽命是普通齒輪的1.5倍，主要是因?yàn)樗麄儦堄鄳?yīng)力的不同。噴丸之后的齒輪它們的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)齒輪。二、

2、試驗(yàn)和結(jié)果材料和測試條件這20個(gè)齒輪通過真空電極自耗單一熱源且符合美國標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的AISI9310材料加工而成。其中十個(gè)齒輪在研磨之后進(jìn)行了噴丸處理。這些齒輪節(jié)圓直徑8.89cm。無論是噴丸齒輪還是沒噴丸齒輪之后都在相同條件下進(jìn)行表面疲勞點(diǎn)蝕試驗(yàn)。這些條件包括，齒輪溫度350K，最大赫茲應(yīng)力1.71x109N/m2，以及轉(zhuǎn)速10000r/min。儀器、樣本、步驟2.1設(shè)備齒輪疲勞試驗(yàn)是在美國宇航局路易斯研究中心的齒輪測試儀（圖1）上進(jìn)行的。這個(gè)設(shè)備采用四邊形原則來支持齒輪，當(dāng)外加驅(qū)動是只需要克服系統(tǒng)的摩擦損失。Lmcpnssure04-itai嚴(yán)llm、的-冷寰.-Tesiduk.站二Lmcpn

3、ssure04-itai嚴(yán)llm、的-冷寰.-Tesiduk.站二inUiJ二MjtruantI；nenlIcuiim、二”AlLuIm細(xì)LMn|urw-Wlm：種rFigure1NASALewisResearchCentersgearfatiguetestapparatus.圖1NASA路易斯研究中心的齒輪疲勞試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置的示意圖如圖1（b）所示。油壓和流動通過軸密封作用于負(fù)載葉片。隨著油壓對從動齒輪的負(fù)載葉片作用增加，轉(zhuǎn)矩同樣作用于軸。這個(gè)扭矩傳播通過測試齒輪回到從動齒輪，這里一個(gè)與之對應(yīng)的相反轉(zhuǎn)矩由油壓力產(chǎn)生。這個(gè)作用于測試齒輪的扭矩，取決于作用于負(fù)載葉片的液壓，它可以把輪齒加載所需

4、的應(yīng)力水平。兩個(gè)相同的測試齒輪可以在沒有加載任何負(fù)載時(shí)開始，也可以在沒有改變運(yùn)行軌道時(shí)在輪齒上逐漸施加負(fù)載。皮帶傳動測試設(shè)備可以通過調(diào)整皮帶輪轉(zhuǎn)速來控制齒輪轉(zhuǎn)動到指定轉(zhuǎn)速，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為10000r/min。2.2材料這些測試齒輪由真空電極自耗（CVM）生產(chǎn)材料AISA9310鋼加工而成，而且這兩套齒輪的洛氏硬度為58且硬化層深度為0.97mm，名義核心硬度為洛氏40。其中一套齒輪在在完成磨削，并根據(jù)表2給出的要求進(jìn)行齒根齒廓規(guī)范化。材料化學(xué)成分見表1。-Slave鼎餌prassurf-1ViewA-A表1材料成分成分CMnSiNiCrMoCuPS含量0.100.630.273.221.21

5、0.120.130.0050.005表2噴丸加工規(guī)范TABLE2-SHOT-PEENINGSPECIFICATION廠Shot-p-eened.MLL-13155&廠Shot-p-eened.MLL-13155&BPSFW詢.+Q70Cd$tiicei.h.T0J8to42$(0.0&7toD0叭200Sp&cificatioriShotize*+*5mttyP.亠*Inltnsitv(hei-ghtaflmSnStrip,type町對(WJCDiera-ge(siditsndrcot*0口1町*percent這些齒輪都是經(jīng)過滲碳和熱處理過的，熱處理工序如表3所示。圖2顯示的是AISI9310

6、材料的拋光侵蝕圖片。表3AISI9310的熱處理工序TABLE3-HEATTREATMENTFORAISI9310StepPrecessTime,hri-nairJ2CarbuZeIV?1B50831rtoroom-4-empera.turCopperplate11frVer1.15Reheat敘12口056AircooltormiB7tamperatur-cAwste-nltltein?15502,53Oi1quench號$bzerocool-i.?o3.5roubletemper3502each11Finishgrind口-二-12Stressrelieve4S03502圖2噴丸前后齒輪組

7、織對比測試齒輪參數(shù)如表4所示。Sear詢肝抽匚申P(guān)電FASMclassMuFtterofteeth*-*.*-*2枝DiB召tv刑】pItch金*總*+卜9Cirtuliarpitchcm(in*J*.0#93?S(n)*0318(0-125hard31tooththickwss-.-0-85(0.131)(refer&nce),rnjin*)freisuramgle,.tiegka*-P-衛(wèi)pitchdiimetEjcm(Id*)t日啟陽(3.500)dutided冷rrcter.em(ina)5+52S(3-750)Bootfiileticm(inj*-*0-1D2to叭UN(Q0ltn0

8、.0)Measurementeve廣pans9*tQ339上兀CR(jrii!)(B?(J)J3i?91&)?1hdiametericnHnJ卡0軸書Bsckl/hrefcenc-ecm(injQH2S4(0.010)Tiprelief,cmin.)0JM1to0.00150山002toGO0)Toothwidthscm(In)*0朋5(0)2.3實(shí)驗(yàn)在測試齒輪被洗掉防腐劑后，他們被擺放在試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。0.635cm寬的測試齒輪在偏移0.3cm的重疊條件下運(yùn)行，大于齒面的0.28cm,這樣就能作用于齒輪的外邊緣。如果齒輪的每個(gè)面都要進(jìn)行測試，那么每組齒輪要進(jìn)行四次疲勞試驗(yàn)。所有的測試都是在

9、如下條件進(jìn)行的。節(jié)線負(fù)載1225N/cm,時(shí)間lh。這樣就給每個(gè)齒輪一個(gè)最大赫茲應(yīng)力0.756xl09N/m2。負(fù)載然后增加到5784N/cm,這給給節(jié)線的赫茲應(yīng)力為1.71x109N/m2。如果假定為純彎曲，則齒根彎曲應(yīng)力將是0.21x109N/m2。然而由于有一個(gè)抵消負(fù)荷（齒輪的彎曲應(yīng)力），結(jié)合彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)給出的一個(gè)最大應(yīng)力為0.26x109N/m2。這個(gè)彎曲應(yīng)力不包括齒端修緣的效果，所以這也增加了彎曲應(yīng)力。齒輪試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為10000r/min,節(jié)線速度為46.55m/s。潤滑油出口幾乎在恒定溫度3503K,測試運(yùn)行不斷，直到位于測試齒輪變速箱旁邊的振動檢測傳感器自動關(guān)閉為止。每次測試潤滑油

10、和過濾器的成分被更換。進(jìn)口和出口石油氣溫連續(xù)記錄在一個(gè)紙帶記錄器。這個(gè)節(jié)線彈流(EHD)膜厚度計(jì)算的參考方法6。因?yàn)檫@個(gè)膜厚度計(jì)算是假設(shè)齒輪節(jié)線溫度等于出口油溫,入口油溫，連接接觸區(qū)的入口油溫等于齒輪溫度，即使入口油溫低得多。而且，齒輪表面溫度甚至高于出口油溫，特別是最后的滑動接觸。對這些條件EHD的膜厚度被計(jì)算為0.33ym,這就提供了一個(gè)表面粗糙度為初始膜厚度h/o為0.55且節(jié)線赫茲應(yīng)力為1.71xlO9N/m2的比率。三、分析與討論標(biāo)準(zhǔn)完成AISI9310齒輪的表面(點(diǎn)蝕)疲勞結(jié)果如圖4所示(a)。這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法參考7。10-50%的疲勞壽命分別為是18.8x106r和46.1

11、x106r。這些結(jié)果列在表4中。失敗指數(shù)(即i.e.,數(shù)量的疲勞失效的數(shù)量與用于測試齒輪數(shù)的比值)是18/18。典型的疲勞剝落如圖5(b)。一個(gè)截面的一個(gè)典型的疲勞剝落是圖5(a)所示。表面點(diǎn)蝕缺陷逐漸出現(xiàn)在略低于節(jié)線的高赫茲應(yīng)力地方,而且這只是個(gè)開端。I削StinikrflgtarkIbi$Iwl-peened圖4噴丸與非噴丸齒輪表面點(diǎn)蝕疲勞壽命對比噴丸齒輪點(diǎn)蝕疲勞壽命結(jié)果，如圖4(b)所示。失敗的指數(shù)24/24。一個(gè)典型噴丸齒輪的疲勞剝落是圖6(a)所示。典型的噴丸齒輪疲勞剝落截面顯示在圖6(b)中。表面點(diǎn)蝕疲勞壽命的10%和50%分別是30.1x106r和67.5x106r。圖5標(biāo)準(zhǔn)齒輪

12、的疲勞剝落圖圖6噴丸齒輪疲勞剝落截面圖眾所周知，除了噴丸加工會產(chǎn)生殘余應(yīng)力外，滲碳、淬火、磨削也可以增加殘余應(yīng)力。我們假設(shè)噴丸齒輪增加的疲勞壽命應(yīng)該是由噴丸產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致的。因此，對兩個(gè)未經(jīng)試驗(yàn)的噴丸齒輪和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪進(jìn)行X射線檢測殘余應(yīng)力的試驗(yàn)，來確定這些殘余應(yīng)力的大小。殘余應(yīng)力檢測點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)附近的表面和內(nèi)層深處5,13,25,76,127,and254ym。材料被硫酸磷酸鉻酸電解液電解拋光進(jìn)行做內(nèi)部測量，目的是減少可能的在材料處理過程中材料內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生變化。圖7(a)顯示了兩個(gè)修正x射線衍射測量殘余應(yīng)力的深度函數(shù)在表面之下應(yīng)力分布和大小，使用的齒輪為非噴丸齒輪。磨削產(chǎn)生的高壓縮應(yīng)力在

13、表面深度非常淺,對齒輪的表面耐久性影響很小。滲碳和淬火產(chǎn)生的壓應(yīng)力的較小,深度更深。這個(gè)壓縮殘余應(yīng)力對表面疲勞和彎曲疲勞壽命有一定的有益影響。圖7(b)顯示了噴丸齒輪的兩條X射線測量殘余應(yīng)力的深度曲線圖。由磨削產(chǎn)生的高的表面應(yīng)力變小。由于噴丸的作用，使齒輪在表面下1.3ym出出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)值為最大應(yīng)力點(diǎn)，在更深處的抗壓應(yīng)力由于此處理也在增加。正是由于在更深處增加的壓應(yīng)力，對表面疲勞壽命起主要作用。最大壓應(yīng)力所在的深度為178ym。0ljurHurB0-萍I墟1fi.WW防0-萍I墟1fi.WW防1蜩1審呻斤IotManUEandlvStaivtori吋r蠶imrw.-tsrwuywhQSTaM*

14、nJn圖7噴丸和非噴丸齒輪主要?dú)堄鄳?yīng)力對比圖7(c)顯示的是噴丸和非噴丸齒輪殘余應(yīng)力的對比。在最大剪切應(yīng)力深度178ym處,平均剪切應(yīng)力由非噴丸齒輪的0.186x109N/m2，提高到噴丸齒輪的0.26x109N/m2。以下為兩種齒輪應(yīng)力比率計(jì)算：LnU.S.customar?units,3305心沖兩PT0)=-U1(WflJ?=7.61mm0JmJAndforttLndlrdcirs,inSunits*也-3305心沖兩PT0)=-U1(WflJ?=7.61mm0JmJAndforttLndlrdcirs,inSunits*也-l-?lxI小M加=IMS0W網(wǎng))_274H伸a,W7WxI71k|09-?CD.16m0=-0.812XI05Th-eieforelaipencdpcBi?srinSiunits.574375徧-1L74xl0SD,007處技IE共|第-；-；