GCr15钢的超高周疲劳机理研究

论文摘要

一直以来,疲劳失效都是工程构件的重要破坏形式之一。传统的疲劳设计观念认为,金属材料在循环载荷次数超过了107以上而不被破坏,则可认为其拥有无限疲劳寿命。但随着现代机械向高速、高龄化方向发展,在很多机械和工程结构中,如发动机、汽车以及铁路等零部件的疲劳寿命通常被要求在108以上,有时循环周次甚至需要达到1010。因此,传统的疲劳设计准则远远不能满足现代机械设备在超高周疲劳领域的使用要求。超高周疲劳行为的研究已经成为疲劳领域的一个重要课题,对工程构件的强度设计和寿命预测都有及其重要的意义。本文以GCr15轴承钢为研究对象,采用旋转弯曲疲劳实验和超声疲劳实验相结合的实验方法,进行了寿命范围为104109的超高周疲劳行为的研究。主要内容和结论如下:（1）通过实验得到了材料的S-N曲线,并用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）观察实验所得断口形貌。分别计算了疲劳断口特征参数,发现它们与疲劳寿命存在一定的线性关系。最后对内部夹杂周围细晶区（Fine Granular Area,FGA）处的应力强度因子幅值ΔK进行计算,分析疲劳裂纹萌生及扩展的断裂力学条件。（2）运用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）和透射菊池衍射（Transmission Kikuchi Diffraction,TKD）对内部夹杂处FGA的形貌和特征进行研究分析。结果表明:夹杂周围微观组织可见三个区域:纳米晶区域FGA、部分晶粒细化区和回火马氏体基体区域。FGA是由纳米铁素体和高密度位错缠结组成。相比于基体,FGA中纳米晶的高角晶界比例大大提高。（3）在R=-1和0.1的情况下,进行弹塑性有限元建模（FEM）以研究超高周疲劳中夹杂物周围塑性应变累积。模拟结果表明,无论是在正应力比还是负应力比情形下,夹杂物周围均会出现塑性变形;剪切应力随循环次数增加而增加,并且在R=-1时,剪切应力值远大于R=0.1时的值,而且相比之下,R=-1的情况下拥有更大的塑性应变累积率,是R=0.1时的两倍。（4）本文结合微观证据和有限元模拟结果,首次从位错运动和剪切应变累积的角度来阐述FGA的形成,并推断出FGA的形成是由剪切应力引起的循环塑性应变的累积导致的;夹杂处因塑性变形而诱发位错,位错缠结形成位错胞,位错胞逐渐演化成位错墙,原始晶粒被位错墙分割成亚晶,随着循环塑性变形的不断累积,最终形成细晶区。并将FGA的形成过程命名为类动态再结晶。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 超高周疲劳的研究现状
•     1.2.1 疲劳的分类
•     1.2.2 疲劳研究发展史
•   1.3 超高周疲劳的行为特性及其机理模型
•     1.3.1 超高周疲劳实验的S-N曲线和断口特征形貌
•     1.3.2 超高周疲劳裂纹的萌生机理
•   1.4 超高周疲劳性能的影响因素
•     1.4.1 实验加载频率对超高周疲劳行为的影响
•     1.4.2 加载方式及应力比对超高周疲劳行为的影响
•     1.4.3 环境因素对超高周疲劳行为的影响
•   1.5 本文研究的主要内容
•     1.5.1 创新点
•     1.5.2 研究内容
•     1.5.3 研究意义
• 2 GCr15 钢的超高周疲劳实验研究方法
•   2.1 前言
•   2.2 实验材料
•   2.3 实验方法
•     2.3.1 实验试样
•     2.3.2 超高周疲劳实验
•     2.3.3 疲劳断口的制备
•     2.3.4 本次实验所需显微镜
•   2.4 本章小结
• 3 实验结果及断口表面形貌
•   3.1 引言
•   3.2 疲劳寿命S-N曲线
•   3.3 试样疲劳断口观察分析
•   3.4 非金属夹杂物的检测分析
•   3.5 本章小结
• 4 FGA的形成机理分析研究
•   4.1 引言
•   4.2 疲劳断口特征参数的计算分析
•   4.3 FGA区域的TEM检测分析
•   4.4 FGA区域的透射菊池衍射分析
•   4.5 FGA中晶粒细化机理的讨论
•   4.6 本章小结
• 5 GCr15 轴承钢的超高周疲劳仿真模拟
•   5.1 引言
•   5.2 材料本构模型的建立
•   5.3 超高周疲劳的有限元模型
•   5.4 全局模型和子模型的模拟仿真结果
•   5.5 讨论
•   5.6 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 本文主要结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万里彪

导师: 李淑欣

关键词: 超高周疲劳,曲线,晶粒细化,塑性应变累积,塑性变形

来源: 宁波大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,金属学及金属工艺

单位: 宁波大学

分类号: TG142.1;O346.2

DOI: 10.27256/d.cnki.gnbou.2019.000972

总页数: 65

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