氮化硅陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命研究.pdf

1、陶瓷軸承是為解決傳統(tǒng)軸承在超高速、腐蝕、高溫及其它惡劣工況下難以工作的問題而研制的一種新型軸承，陶瓷球是陶瓷球軸承的重要零件之一，滾動接觸疲勞壽命是評價其能否用于滾動軸承的主要技術(shù)指標。本文作為上海市科技發(fā)展基金重點項目的一部分，對軸承用氮化硅(Si<,3>N<,4>)陶瓷球的滾動接觸疲勞性能進行了理論和試驗研究，完成的主要工作有： 一、設(shè)計和研制了一臺三點接觸純滾動軸承球的強化接觸疲勞壽命新型試驗裝置，被試球在最大圓截面上受到

2、三次等接觸強度的循環(huán)接觸載荷的作用，并沿此圓周作純滾動；克服了傳統(tǒng)試驗機因接觸點少、或是滾/滑狀態(tài)、或需其它附加結(jié)構(gòu)等缺點，有效地減少了試驗結(jié)果的影響因素。 二、利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號分析和處理技術(shù)及微機控制技術(shù)，開發(fā)了上述疲勞試驗機的測控系統(tǒng)，便于自動記錄和監(jiān)控試驗機的運行狀態(tài)以及被試軸承球的工作狀態(tài)。當試驗出現(xiàn)異常，系統(tǒng)能夠自動識別并采取相應(yīng)的措施，保證試驗機安全可靠地運行，減輕了實驗人員的勞動強度，提高了試驗

3、效率。 三、對GCrl5鋼球和二種分別由氣壓燒結(jié)工藝生產(chǎn)的GSN-200及熱等靜壓工藝生產(chǎn)的NBD-200 Si<,3>N<,4>陶瓷球進行了滾動接觸疲勞性能的對比試驗研究，通過疲勞失效球表面的顯微觀察，驗證了陶瓷球的疲勞失效形式同鋼球一樣仍為表層剝落。利用韋布爾理論處理疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，被試的GSN-200陶瓷球的疲勞壽命與GCrl5鋼球相當，而NBD-200陶瓷球的壽命則要遠長于前兩者。試驗還表明，在相同試驗工況下

4、，兩種陶瓷球的運行溫升均低于鋼球，而疲勞剝落發(fā)展速度則慢于鋼球。 四、通過掃描電鏡和光學顯微鏡對失效球的疲勞表面及其剖面進行觀察，分析了陶瓷球的失效原因、失效現(xiàn)象和失效機理。分析表明在剝落形成過程中次表面裂紋起著主導作用，這些裂紋起源于材料的體積缺陷，受到滾動接觸引起的最大主拉應(yīng)力作用，從次表面向表面擴展，最終導致疲勞剝落，剝落輪廓為橢圓錐狀。 五、利用掃描電子顯微和純滾動加速疲勞試驗技術(shù)，研究了Si<,3>N<,4>陶

5、瓷球的顯微結(jié)構(gòu)對滾動接觸疲勞性能的影響。研究表明，顯微結(jié)構(gòu)不僅影響韌性、強度等力學性能，同時也影響滾動接觸疲勞性能。 六、應(yīng)用彈性接觸力學和赫茲理論分析了純滾動條件下陶瓷球表面層接觸應(yīng)力，得到了表面層最大主拉應(yīng)力場，并與相應(yīng)的純滾動接觸疲勞試驗的裂紋進行對照，分析表明，理論計算的最大主拉應(yīng)力等高線與實際的裂紋走向趨于一致，從而驗證了陶瓷球失效的臨界應(yīng)力為最大主拉應(yīng)力。 七、針對球與圓柱接觸模型中的陶瓷球，利用Weibul

6、l斷裂統(tǒng)計方法導出球疲勞失效概率與壽命之間的關(guān)系方程。在相關(guān)額定壽命與最大接觸應(yīng)力的數(shù)值解基礎(chǔ)上，基于最大主拉應(yīng)力，構(gòu)建了全新的Si<,3>N<,4>陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命與接觸應(yīng)力的數(shù)學模型。經(jīng)與不同接觸應(yīng)力水平下的滾動接觸疲勞壽命試驗結(jié)果驗證，表明了該拉應(yīng)力一壽命模型的可行性。通過與L-P剪應(yīng)力-壽命模型預(yù)測結(jié)果的比較，說明拉應(yīng)力-壽命模型更適合于陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命預(yù)測，進而驗證了該模型的正確性。 本文研究成果為陶瓷