材料、结构耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响

发布时间：2017-10-13 16:23

  本文关键词：材料、结构耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响

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【摘要】：滚动机床导轨在服役过程中，所受到的磨损形式以疲劳磨损为主，其表面受到往复的周期应力。在这样的疲劳应力作用下萌生裂纹并开始扩展，裂纹扩展到一定程度后形成剥落物，当剥落物累积到一定程度时整个导轨由于其精度下降需要更换。我国目前普遍采用灰铸铁作为滚动机床导轨的原材料，但由于灰铸铁中存在石墨，所以如果采用未经任何处理的灰铸铁滚动导轨时会降低导轨的使用寿命。为了提升导轨的使用寿命通常对滚动导轨表面进行处理，使得其耐磨性能大大提升。传统的表面改性工艺虽然可以满足使用要求，但大多数工艺较为复杂。因此提出一种新的表面改性方式使灰铸铁获得优异的耐滚动疲劳磨损试性能成为了导轨制作的新的研究方向。研究发现生物经过万年的进化，已经适应了其所生存的环境，这说明生物具有能够抵抗其所面临困境的性能。基于这样一种想法，人们尝试通过现代加工技术来对某一生物体特性进行模仿来获得其优异性能，仿生学也就由此而诞生。同时自然界中并不缺乏耐磨性良好的生物体，比如贝类生物在其体表时刻受到海水、泥沙的冲刷的情况下仍然能够生息繁衍；再比如穿山甲拥有坚硬的外壳，可以抵御砂石的摩擦。然而能否通过现代加工技术，加工出具有贝壳或者穿山甲鳞片特征的滚动机床导轨从而提升滚动机床导轨耐磨性呢？在实际的生产实践中发现通过现代加工技术来进行仿生工程材料的制备是完全可行的，近几年来本课题组在通过激光仿生耦合技术对灰铸铁进行表面处理后获得了优异的耐滑动磨损性能。研究表明，不同的结构、材料、形状的耦元制备的仿生耦合耐磨材料的耐滑动磨性能也不同，但对仿生耦合试样的耐滚动疲劳磨损性能方面的研究较少。本文将基于前人的研究理论对材料、结构耦元对仿生耦合耐磨灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响进行研究。本文中材料耦元所选取的特征量为材料的硬度，而结构耦元所选取的特征量为单元体截面积。 实验结果表明：从仿生学角度出发制备的仿生耦合试样具有较好的耐滚动疲劳磨损性能，，同时滚动导轨在服役过程中，主要的磨损形式为滚动疲劳磨损。当不同硬度的单元体材料与基体耦合时，由于单元体的硬度要高于基体硬度，因而在与滚子接触时其单元体上会承受较多的力，削弱了接触线整体的应力峰值，单元体处虽然受力较大但其自身硬度较高、耐磨性较好因而整体的耐磨性会得到提升，延长了仿生耦合试样整体的疲劳寿命。不同截面面积的单元体与基体耦合时，单元体的截面面积越大，单元体所占比例也就越多，其抵抗变形能力也就相应增强在一个循环应力下材料的变形量会减小，因而其疲劳寿命也会相应延长。
【关键词】：仿生耦合 材料耦元 结构耦元 滚动磨损
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG143.2;TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 研究目的与意义10-11
• 1.2 研究综述11-21
• 1.2.1 滚动导轨疲劳失效机理分析11-14
• 1.2.2 滚动导轨用灰铸铁研究现状14-18
• 1.2.3 仿生耦合理论及其应用18-21
• 1.3 本文主要研究内容与创新点21-24
• 1.3.1 本文主要研究内容21-22
• 1.3.2 本文创新点22-24
• 第2章 实验方法24-32
• 2.1 实验材料24
• 2.2 仿生耦合试样制备24-27
• 2.3 仿生耦合单元体微观分析27-28
• 2.3.1 单元体尺寸与形貌分析27-28
• 2.3.2 单元体微观组织分析28
• 2.3.3 物相分析28
• 2.4 仿生耦合试样力学性能测试28-30
• 2.4.1 显微硬度测量29
• 2.4.2 拉伸性能测试29-30
• 2.4.3 压缩性能测试30
• 2.5 仿生耦合试样疲劳磨损试实验30-32
• 2.5.1 磨损失重量测量30-31
• 2.5.2 磨损形貌对比分析31
• 2.5.3 仿生耦合试样表面受力情况的有限元分析31-32
• 第3章 材料耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 单元体截面形貌与截面尺寸32-33
• 3.3 单元体组织33-35
• 3.4 仿生耦合试样力学性能35-37
• 3.4.1 单元体截面硬度35
• 3.4.2 仿生耦合试样拉伸性能35-36
• 3.4.3 仿生耦合试样压缩性能36-37
• 3.5 滚动磨损实验37-39
• 3.5.1 磨损失重量37
• 3.5.2 磨损程度37-39
• 3.6 仿生耦合试样表面受力情况数值模拟结果分析39-41
• 3.7 材料耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响分析41-43
• 3.7.1 单元体个体强化机制41
• 3.7.2 单元体与基体的耦合强化机制41-43
• 小结43-46
• 第4章 结构耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响46-64
• 4.1 引言46-47
• 4.2 单元体截面形貌与截面尺寸47-49
• 4.2.1 熔凝组单元体截面形貌与截面尺寸47-48
• 4.2.2 熔碳组单元体截面形貌与截面尺寸48-49
• 4.3 单元体组织49-51
• 4.3.1 熔凝组单元体组织49-50
• 4.3.2 熔碳组单元体组织50-51
• 4.4 单元体物相分析51
• 4.5 仿生耦合试样力学性能51-58
• 4.5.1 单元体表面硬度51-53
• 4.5.2 单元体截面硬度53-54
• 4.5.3 仿生耦合试样拉伸性能54-56
• 4.5.4 仿生耦合试样压缩性能56-58
• 4.6 滚动磨损实验58-60
• 4.6.1 熔凝组试样磨损失重量58-59
• 4.6.2 熔碳组试样磨损失重量59-60
• 4.7 仿生耦合试样表面受力数值模拟60-61
• 4.8 结构耦元对灰铸铁耐滚动疲劳磨损性能影响分析61-62
• 小结62-64
• 第5章 结论64-65
• 参考文献65-71
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果71-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：1025893