微观组织夹杂对高温轴承钢疲劳行为影响的数值模拟

发布时间：2020-09-17 18:13

　　航空发动机主轴轴承作为主机的核心部件,其服役环境复杂恶劣苛刻。现代航空发动机主轴轴承要求工作温度超过300℃,同时能够保证在高转速、重载荷下长时间工作,这些对航发主轴轴承的可靠性与寿命性能提出了高要求。随着动力学及结构优化设计的日趋完善,轴承材料性能优化逐渐成为提升主轴轴承服役性能的关键。其中,高温轴承钢克服了传统轴承钢因相变温度较低在高温环境下容易热软化的劣势,其相变温度超过800℃,被广泛应用在主轴轴承中。微观组织夹杂包括微观组织、第二相颗粒(夹杂)以及微观缺陷(大块夹杂、孔隙、裂纹)。其中,第二相颗粒阻碍微观组织的位错滑移运动,强化了高温轴承钢的性能,但其热处理或锻造过程中可能形成大块状或条状夹杂而诱发微裂纹萌生,不利于高温轴承钢的抗疲劳性能,并引起微观组织发生塑性流动与局部过热,因此考虑微观组织夹杂有助于剖析高温轴承钢的滚动接触疲劳行为。本文结合高温轴承钢横截面的实测微观组织夹杂图像数据,通过图像重构实现微观组织夹杂的几何特征提取,提出一种高效的微观组织夹杂混合重构方案,并基于ANSYS建立晶格有限元模型VFEM。考虑表面形貌、润滑状态、工况条件、动态接触热等外部因素,分别研究了高温轴承钢的等温及高温弹塑性接触疲劳行为,涉及高温轴承钢疲劳寿命的估计以及碳化物夹杂脆断失效的模拟,并分析了微观组织夹杂局部过热的状态。结果表明,硬质、体积分数大、形状平滑、分布均匀的碳化物夹杂有利于提升高温轴承钢的抗疲劳性能,但碳化物夹杂硬质比例及体积分数增加不利于高温轴承钢性能的稳定,因此需要结合高温轴承钢的使用用途及可靠性要求综合考虑。同时,当润滑条件或粗糙表面不佳时,近表层碳化物夹杂发生脆断失效,降低高温轴承钢的抗疲劳性能,并引起接触区附近发生局部过热,因此需要重点控制轴承部件接触面的表面形貌以及润滑状态。本文提出了一种结合轴承工况、润滑状态、材料特性、动态接触热的交互设计思路,为航空工业中材料热处理、无损探伤质量控制、高温轴承钢基础数据库提供了理论指标。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V231.95;V252.1;TG142.1
【部分图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文种强化作用能够适应高温环境，因此具备优良高温材料性能。然而，由于 M50 含碳量较高，部分第二相颗粒富集了碳化物及合金元素，形成块状、鱼骨状夹杂缺陷导致化学成分分布不均且抗冲击能力差，容易在复杂多变工况环境下发生脆断。M50NiL 是由 M50 经过降碳增镍[1]发展而来，其内部碳化物形态细小弥散，因此冲击韧性好，但 M50NiL 碳化物尺寸较小，与摩擦过程中的磨粒尺寸相差无几，在工作过程中容易擦伤接触副，降低表层耐磨性，因此不适用于超高转速服役环境，如图 1-1 所示为航空发动机主轴轴系及高温轴承钢微观结构示意。

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结合主轴轴承结构及工况条件，综合考虑接触几何、润滑状态、接触热效应因素，研究高温轴承钢的弹塑性接触疲劳行为，实现材料微观结构、工况条件、触界面、轴承部件之间的交互设计。1.2 国内外研究现状与分析1.2.1 滚动轴承接触疲劳寿命评估方法的研究接触疲劳寿命是衡量滚动轴承部件疲劳性能的直接指标。由于滚动轴承运在主机核心位置，因此其接触疲劳寿命直观反映出主机服役过程中的极限寿命。触疲劳寿命与滚动轴承所处工作环境、材料性能、润滑状态、接触几何有关。19年，Stribeck[10]将滚动轴承的接触疲劳寿命与载荷建立数学联系，推导出径向球承中载荷最大球方程，并发展为静态负载容量，但该方程仅承受径向载荷 Fr，用范围有限。1912 年，Goodman[10]利用实验观测到滚动接触疲劳现象并总结为应数学模型，有别于当时普遍认为滚动轴承中大球比其他球磨损严重的观点，即球首先磨损直至所有球径保持一致而终止磨损。实验表明滚道在与滚动体反复触过程中形成斑点或薄片，最终导致轴承部件出现故障，如图 1-2 所示。

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a) 微观组织的 SEM 图 b) 微观组织公称尺寸随温度变化图 1-6 不同预设温度下 M50 的微观组织特征[3].2.4 微观组织夹杂疲劳行为数值模拟的研究高温轴承钢内部微观组织通常呈现不规则六棱形结构。微观组织的六棱形影响着循环载荷下高温轴承钢的应力传递特征，具体表现为沿晶界方向与穿体内部方向上的力学性能差异，这也是多晶体材料普遍存在的现象。同时，微陷（大块夹杂、微孔隙、微裂纹）通常引起材料内部发生严重应力集中，如图b)所示，其所在区域、几何形状、物性特征皆对滚动轴承的接触疲劳有显著影响此明确微观组织夹杂的疲劳行为对于解析高温轴承钢的抗疲劳性能有帮助。微观组织夹杂的疲劳行为发生于材料内部，很难用实验在线检测，对此国内外提出了许多数值模型，模拟微观组织夹杂的疲劳行为，如图 1-7a)所示。

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