两种典型金属材料扭转微动疲劳行为及损伤机理研究

发布时间：2020-11-05 12:08

　　 微动疲劳损伤广泛存在于航空航天、铁路、核电等领域,并成为许多重大设备关键零部件失效的主要原因之一。大量工业实践表明,机械构件的疲劳寿命由于微动损伤作用将出现大幅的下降,而关键性零部件的提前失效带来的事故也将是灾难性的。在微动的研究领域,根据构件受载荷方式不同,往往将微动疲劳简化为三种简单的基本模式:即拉-压(拉)微动疲劳、弯曲微动疲劳和扭转微动疲劳,而实际工况中零部件所受到的载荷形式通常是其中两者甚至是三者之间的相互耦合。目前,国内外学者对微动疲劳领域的研究大多集中在拉-压(拉)微动疲劳和弯曲微动疲劳,而对扭转微动疲劳的研究报道却较少。因此,系统研究扭转微动疲劳行为并揭示其失效机理,不仅对认识扭转微动疲劳损伤机理,完善微动摩擦学理论有重要的科学意义,并可对抗扭转微动疲劳损伤失效的工程运用具有一定理论指导意义。本研究基于拉-扭多轴疲劳试验机,自主设计了一套能保持恒定载荷的法向气动加载装置。试验采用圆柱/圆柱垂直交叉的点接触方式,在不同扭转载荷、法向载荷和循环周次下,对316L奥氏体不锈钢和LZ50车轴钢两种不同晶体结构材料进行了系统的扭转微动疲劳试验,得到了两种材料的普通疲劳和微动疲劳S~N曲线。利用了光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、电子探针(EPMA)、透射电子显微镜(TEM)和白光干涉三维形貌仪对试验后的微动疲劳接触损伤区、损伤区剖面、疲劳断口和损伤区微观组织进行了分析,系统研究了两种典型金属材料扭转微动疲劳行为和损伤机理,获得的主要结论如下:(1)对比常规扭转疲劳,扭转微动疲劳寿命大大降低,寿命下降20%~80%,甚至更低。扭矩载荷幅值对扭转微动疲劳的寿命有着显著的影响,随着扭矩载荷幅值的增加,材料的微动疲劳寿命呈现先下降后上升,最后再下降的变化趋势。对应S-N曲线的特征,根据微动图理论,可将扭转微动疲劳的微动运行行为划分为三个微动运行区:部分滑移区(PSR)、混合区(MFR)和完全滑移区(SR)。微动运行在部分滑移区时,微动损伤较为轻微,疲劳寿命较长;微动运行处于混合区时,裂纹最容易萌生和扩展,疲劳寿命最低;微动运行在完全滑移区时,运行相对位移较大,材料的磨损速率高于裂纹形核速率,材料的微观裂纹被去除而抑制疲劳裂纹的扩展,当微动处于这一运行区时,疲劳寿命相对混合区反而得以延长。当扭转载荷幅值继续增加时,微动对材料疲劳寿命影响减弱,循环疲劳应力对材料疲劳寿命起主导作用。因此,材料的疲劳寿命随着循环扭转载荷幅值的增大而减小。(2)材料的扭转微动疲劳失效后主要呈现为45°斜角特征的断口。微动疲劳裂纹萌生于微动接触区的次表面,并且沿着试样表面与试样轴线成45°角扩展,最终沿45°斜面断裂。疲劳试样在扭转载荷作用下,单元体在α=45°斜截面上的正应力取得最大值。对于剪切强度高于拉伸强度的材料,破坏是由试样的最外层沿着与试样的轴线成45°斜角的螺旋型曲面发生拉断而产生的,因此疲劳断口呈45°斜面。(3)在混合区,材料的磨损机制主要表现为磨粒磨损、氧化磨损、疲劳磨损和剥层。扭转微动疲劳初始阶段,材料损伤较为轻微,损伤区可发现犁沟和少量的氧化物磨屑,损伤区形呈环形状态;随着疲劳循环周次的增加,损伤区的磨损加重,出现了剥落和磨屑堆积的现象,损伤区靠近加载端一侧的损伤更加严重,此时磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层;随着疲劳循环周次的进一步增加,微动损伤继续加剧。在损伤区表面靠近加载端一侧萌生微观裂纹,损伤区的磨损也进一步加剧;微动疲劳试验的最后阶段,损伤区已形成宏观疲劳裂纹,该阶段的磨损机制仍然以磨粒磨损、氧化磨损和剥层为主。(4)在相同法向载荷作用下,随着循环扭矩幅值的增加,摩擦系数稳定阶段的数值也同时增加。在扭转微动疲劳试验中,不同循环扭矩幅值作用下,摩擦系数总体变化趋势一致。循环扭矩幅值越高,摩擦系数更快的达到相对最大值,随后进入平稳阶段。同时摩擦系数同扭转角度存在一定的关系,两者的变化趋势一致。在不同法向载荷作用下,摩擦系数曲线发生变化;法向载荷越大,摩擦系数稳定值越小,摩擦系数曲线也更加平顺。(5)扭转微动疲劳损伤区的微观组织演变与材料晶体结构密切相关。TEM分析结果表明,对于面心立方结构的奥氏体不锈钢,其位错组态的演变规律随着载荷幅值的增加由孪晶变形机制向着位错胞变形机制转变。而对于体心立方结构的碳钢,其微观位错组态的演变主要表现为位错的缠结、堆积、攀移,最后以位错胞的形成和变形为主。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG111.8
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 微动摩擦学及其相关理论
        1.2.1 微动的基本概念
        1.2.2 微动疲劳运行模式
    1.3 微动疲劳研究现状
        1.3.1 微动疲劳研究进展
        1.3.2 微动疲劳试验装置及影响因素
    1.4 扭转疲劳的研究背景及其现状
        1.4.1 圆柱体的扭转问题
        1.4.2 扭转微动疲劳的工程实例
    1.5 本文的选题意义和研究内容
        1.5.1 本文选题意义
        1.5.2 本文研究内容
第2章 试验方法和实验材料
    2.1 扭转微动疲劳试验台及操作流程简介
    2.2 试验参数
    2.3 微动垫及试验材料
        2.3.1 材料的选择
        2.3.2 金相组织
    2.4 微观分析方法
        2.4.1 损伤区轮廓分析
        2.4.2 损伤区形貌分析
        2.4.3 损伤区化学成分分析
        2.4.4 损伤区剖面分析
        2.4.5 疲劳断口分析
        2.4.6 损伤区微观结构表征
    2.5 本章小结
第3章 316L奥氏体不锈钢扭转微动疲劳行为研究
    3.1 S-N曲线
    3.2 微动损伤区分析
        3.2.1 部分滑移区
        3.2.2 混合区
        3.2.3 完全滑移区
        3.2.4 损伤区剖面分析
    3.3 疲劳特性及损伤累积行为
        3.3.1 疲劳断口分析
        3.3.2 损伤累积过程
        3.3.3 扭转角度
        3.3.4 摩擦系数
    3.4 损伤区微观组织演变及化学成分分析
        3.4.1 损伤区微观组织演变分析
        3.4.2 损伤区化学成分分析
    3.5 法向载荷对扭转微动疲劳损伤的影响
        3.5.1 法向载荷对疲劳寿命的影响
        3.5.2 法向载荷对疲劳断口的影响
        3.5.3 法向载荷对微动损伤区的影响
    3.6 本章小结
第4章 LZ50车轴钢扭转微动疲劳行为研究
    4.1 S-N曲线
    4.2 微动损伤区分析
        4.2.1 部分滑移区
        4.2.2 混合区
        4.2.3 完全滑移区
        4.2.4 损伤区剖面分析
    4.3 疲劳特性及损伤累积行为
        4.3.1 微动疲劳断口分析
        4.3.2 扭转角度
        4.3.3 摩擦系数
        4.3.4 损伤累积过程
    4.4 损伤区微观组织演变分析
        4.4.1 疲劳载荷对微观组织演变的影响
        4.4.2 循环周次对微观组织演变的影响
    4.5 法向载荷扭转微动疲劳损伤的影响
        4.5.1 法向载荷对疲劳寿命的影响
        4.5.2 法向载荷对摩擦系数的影响
        4.5.3 法向载荷对微动损伤区的影响
    4.6 本章小结
第5章 材料特性的影响
    5.1 微动疲劳寿命
    5.2 微动疲劳断口
    5.3 扭转角度和摩擦系数
        5.3.1 扭转角度
        5.3.2 摩擦系数
    5.4 微观组织位错演变机制
    5.5 扭转微动疲劳损伤机制
    5.6 本章小结
结论与展望
    论文主要创新点总结如下
    论文研究主要结论总结如下
    研究展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间的学术成果

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张明,王珉,左敦稳;45~#钢微动疲劳特性的研究[J];南京航空航天大学学报;2002年05期

2 李欣;杨建伟;;微动疲劳损伤机理数值分析与实验研究[J];科学技术与工程;2017年30期

3 乐晓斌，何明鉴;微动疲劳寿命预测方法的探讨[J];机械强度;1996年03期

4 张俊;彭金方;徐志彪;金潇;朱旻昊;;7075铝合金扭转微动疲劳行为研究[J];摩擦学学报;2017年06期

5 戴振东，朱如鹏，潘升材，王珉;高温不锈钢与钛合金微动疲劳特性的实验研究[J];航空学报;1999年03期

6 ;第六届微动疲劳国际专题会议　[J];中国机械工程;2009年16期

7 刘大伟;彭金方;田来;宋川;刘建华;朱旻昊;;30CrNiMo8合金钢的弯曲微动疲劳特性[J];机械工程材料;2014年08期

8 平学成;赵辽翔;;不完全接触端微动疲劳强度界面力学评估[J];机械设计与制造;2014年06期

9 陈跃良;徐丽;张勇;郁大照;;参数对2A12铝合金微动疲劳局部塑性影响分析[J];装备环境工程;2014年05期

10 石炜;温卫东;崔海涛;;微动疲劳加载装置的设计及其在典型合金上的应用[J];机械工程材料;2014年01期

相关博士学位论文 前10条

1 徐志彪;两种典型金属材料扭转微动疲劳行为及损伤机理研究[D];西南交通大学;2018年

2 古远兴;高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D];南京航空航天大学;2007年

3 宋川;轴类部件旋转弯曲微动疲劳损伤分析及试验模拟[D];西南交通大学;2013年

4 丁俊;弯曲微动疲劳失效机理的研究[D];西南交通大学;2013年

5 杨广雪;高速列车车轴旋转弯曲作用下微动疲劳损伤研究[D];北京交通大学;2011年

6 张明;微动疲劳损伤机理及其防护对策的研究[D];南京航空航天大学;2002年

7 李欣;内燃机特征载荷作用下紧固面微动疲劳损伤机理研究[D];北京理工大学;2015年

8 张华阳;残余应力对发动机机体隔板微动疲劳性能影响规律的研究[D];北京理工大学;2016年

9 彭金方;几种金属材料弯曲微动疲劳试验研究[D];西南交通大学;2012年

10 李爱民;圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究[D];南京航空航天大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 张俊;7075铝合金扭转微动疲劳行为研究[D];西南交通大学;2017年

2 田来;40CrNi2MoA钢的弯曲微动疲劳特性及电机小齿轮轴失效分析研究[D];西南交通大学;2013年

3 李建军;交变接触载荷下6061铝合金微动疲劳特性[D];天津大学;2016年

4 刘大伟;30CrNiMo8合金钢的弯曲微动疲劳特性及数值模拟研究[D];西南交通大学;2013年

5 蒋春松;316L不锈钢弯曲微动疲劳特性的数值模拟研究[D];西南交通大学;2012年

6 申颜团;18CrNiMo7-6合金钢的弯曲微动疲劳特性研究[D];西南交通大学;2015年

7 荆炀;燕尾榫结构微动疲劳有限元分析研究[D];兰州理工大学;2015年

8 张乾;涂层参数对圆柱/平面微动疲劳寿命的影响[D];兰州理工大学;2017年

9 马刚;压气机燕尾榫联接结构微动疲劳寿命研究[D];南京航空航天大学;2004年

10 刘斌;圆弧接触面和激光淬火对微动疲劳寿命的影响研究[D];南京航空航天大学;2012年

本文编号：2871619