航空滚动轴承用M50钢的接触疲劳损伤行为研究

发布时间：2020-06-11 23:39

【摘要】：随着航空航天领域的高端装备技术的发展,滚动轴承会面临更加严苛的工况条件,如重载荷的交替作用、持续的过载作用、摩擦副间润滑状态转变等。复杂的工况条件会造成滚动轴承摩擦副表面的高接触应力和高剪切应力,导致轴承钢摩擦副表面接触疲劳损伤加速,造成滚动轴承的早期失效,严重影响装备的安全使用。目前M50高温轴承钢已经成为主要的技术发展方向。M50钢中的合金元素含量更高,相比于传统轴承钢具有更好的热硬性。但合金元素易与碳元素形成碳化物,碳化物具有颗粒大和易碎裂等特点,同时M50钢对内部空洞和夹杂等高度敏感。因此,开展M50钢摩擦副的疲劳损伤机理研究,建立M50轴承钢的寿命评价体系具有重要意义。采用晶格有限元法模拟接触微区的显微结构及尺寸,建立了包含非规则形状夹杂的有限元和疲劳损伤相结合的复合表征模型。该模型不必依托于疲劳裂纹的尺寸,考虑了载荷作用次序效应和材料宏观参数的影响,具有很好的使用价值。结合现有的滚动轴承拟动力学分析手段,研究了外载荷、润滑状态对均匀材料的疲劳损伤的影响规律,确定了滚动轴承服役过程中的安全载荷临界值。当外载荷值小于该临界值时,滚动轴承服役过程中材料内部不产生疲劳损伤。研究了夹杂弹性模量、尺寸、深度等相关参数对应力分布和疲劳损伤的影响规律。结果表明,夹杂高的弹性模量、大的尺寸和浅的深度都会造成更严重的疲劳损伤,加速M50钢材料的疲劳失效,根据计算结果,得到了夹杂对M50轴承钢材料疲劳损伤无影响的尺寸和深度临界值。建立了包含接触微区真实微观夹杂的有限元分析模型。结果表明,形状复杂的夹杂引起的疲劳损伤更严重。对接触微区含大量夹杂的真实形貌的研究结果表明,疲劳裂纹起源于夹杂间的应力集中位置,表面摩擦系数的增加会促使疲劳裂纹向接触表面扩展;深度超过一定值时,夹杂引起的应力集中效应减弱,甚至不会有疲劳损伤产生;夹杂弹性模量增大时,疲劳裂纹会扩展到更深的位置。分析结果对M50钢热处理工艺具有指导意义,对大尺寸碳化物进行细化,能够有效地减轻其对轴承钢造成的疲劳损伤。分析了强化载荷高周循环接触对M50轴承钢材料循环硬化作用和喷丸与离子注入复合改性条件对残余应力分布的影响,探究了其对疲劳损伤和疲劳寿命的影响规律。强化载荷的循环作用和残余压应力分别提高了材料的循环硬化系数和应力幅值,降低了轴承钢材料的疲劳损伤累积速率,延长了疲劳寿命。分析了表面粗糙形貌对接触微区疲劳损伤和裂纹扩展的影响。分析结果表明横向纹理表面、负偏度值、较小的均方根值和峰度值都能延缓裂纹扩展,延长材料疲劳寿命。混合润滑会导致接触区域局部产生高压应力和高摩擦力。局部高摩擦力区域摩擦系数的增加会导致裂纹扩展速度加快,疲劳寿命急剧减小;局部高摩擦力区域的半径增加同样会导致疲劳寿命减小,但当半径超过一定值时,疲劳寿命基本保持稳定。采用球-盘式疲劳试验机完成了M50钢试件在不同加载条件下的接触疲劳试验。高-低载荷作用下,表面出现了更多的疲劳点蚀坑,表面发生了更严重的损伤。采用本文建立的模型分析了两种载荷次序下表面的损伤情况,模型的分析结果与试验结果相近,能够反映载荷作用次序效应,证明了模型的可靠性。进一步研究了夹杂引起的裂纹扩展方向与滚动方向(摩擦力方向)的关系,证明了裂纹扩展方向只与摩擦力方向相关,其他因素只会影响裂纹的形状及深度。对M50钢的疲劳寿命理论分析结果与试验结果相近,证明了模型可以对轴承钢疲劳寿命进行预测。
【图文】：

形貌,应力分布,缺陷,凹痕

建立了有限元模型，计算了缺陷附近的应力分布，如图1-4 所示。可以看出，缺陷的长度和位置对应力分布有很大的影响[30]。(a) 凹痕形貌 (b) 凹痕处应力集中(a) Dent morphology (b) Stress concentration induced by dent图 1-3 凹痕对应力的影响[28]Fig.1-3 Effect of dent on stress distribution[28](a) 法向主应力(a) Principal stress(b) 剪切应力(b) Shear stress图 1-4 缺陷处的应力分布[30]Fig.1-4 Stress distribution induced by defect[30]

形貌,应力计算,形貌

图 1-8 X 光提取夹杂形貌及应力计算[57]. 1-8 Morphology extraction by X-ray technique and stress calculatio
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V229.2;TG142.1

【参考文献】