结构钢的变幅疲劳加载应力幅间交互作用研究

发布时间：2017-10-07 04:35

  本文关键词：结构钢的变幅疲劳加载应力幅间交互作用研究

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【摘要】：近年来,随着工程结构运转速度的提高,服役寿命的延长,疲劳问题逐渐引起人们的注意。与此同时伴随着结构钢在低应力的循环加载的频率升高,低应力幅值(低于疲劳极限应力幅值)对材料的疲劳性能的影响越来越受到人们的重视。但由于当时的实验技术和理论基础的限制,人们对于高速低幅工况下金属结构的疲劳性能的变化研究得很有限,大多数材料的疲劳性能的研究都是基于恒幅加载的条件下开展的,变幅载荷下的疲劳性能研究涉及较少。事实上变幅加载广泛存在于金属材料构件的工况中。因此,开展关于金属在变幅加载的疲劳性能变化规律研究是十分有必要的。当前,伴随程控疲劳试验机在检测领域的应用以及新的检测技术的拓展,金属的疲劳试验得到长足的发展,研究金属变幅疲劳的设备、试验条件均已成熟。通过这方面的研究能够更全面的揭示材料疲劳损伤与断裂的物理本质,对低载高速服役条件下工作结构的疲劳预估理论和寿命预测理论的建立有着重要意义。本文在参考国内外变幅疲劳试验经验的基础上,根据工程实际应用,设计试验方案,开展结构钢50CrVA变幅疲劳试验,探索了小载荷强化作用使其疲劳寿命发生变化的规律,研究成果如下：本文在参考金属材料高频疲劳试验试样设计方法的基础上,设计适合高强度钢试验要求的试样形状与尺寸,并使用有限元软件ANSYS进行仿真模拟,同时结合最小截面等截面法、当量长度法的理论解对比分析,验证试样能承受应力比R=-1的应力幅加载而不产生屈曲,并讨论了试验数据受加工误差影响的情况。参考金属材料疲劳寿命的检测技术规范,设计恒幅加载试验方案,得到试验数据,绘制出50CrVA的疲劳强度-寿命曲线,分析其趋势,并采用Basquin方程进行拟合；通过升降法测算出其疲劳极限,为后续的变幅试验提供数据基准以及微观机理分析的对比参照物。参考国内外变幅加载相关文献,通过控制预加载周次数与预加载幅值,设计多组变幅加载试验,得到预加载周次数与预加载应力幅大小对50CrVA疲劳寿命影响规律。控制加载时长的试验结果表明低载强化需要经历一定周次数的加载才能对材料的疲劳性能产生影响,同时低应力幅对50CrVA钢存在强化与损伤的二重性；控制预加载应力幅大小的试验结果表明不同的小载荷幅值同样会对试样的强化效果产生影响,小载荷幅值较小时,由于小载荷强化与损伤两种特性都不明显,因此强化寿命的效果并不明显；随着小载荷幅值的升高,强化效应显现出上升趋势,并达到最高点,随后影响逐渐下降,直到低幅载荷对材料的疲劳寿命基本没有影响,表明当幅值临近疲劳极限时,随着强化效应的增长速率降低,损伤特性影响逐渐增大,低幅载荷的强化与损伤特性的共同作用使得材料疲劳寿命的变化趋近于零,表现出来的特性以损伤性为主。对比相同小载荷强化过程下不同应力幅工况下疲劳寿命的影响曲线,发现两者的最大强化点强化幅度相近,存在类似的强化趋势。使用SEM对试样断面进行观察。观察发现试样发生宏观脆性断裂。50CrVA钢的裂纹起源于外表面,表现为表面萌生；其韧性是瞬断区韧窝形成的主要因由。经过低载加载后疲劳寿命无明显增长的试样与未经低幅加载试样在断口形貌方面并无明显差别。产生明显强化作用的试样断口与之相比,则出现疲劳辉纹间距较小,二次裂纹数量明显减少的现象。
【关键词】：曲线 升降法 断口形貌 变幅加载 强化效应
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 疲劳问题的提出和发展12-13
• 1.2 疲劳的特征13-14
• 1.3 疲劳破坏的过程14-16
• 1.4 疲劳破坏的分类16-17
• 1.5 影响金属材料高周疲劳性能的因素17-18
• 1.5.1 低周疲劳载荷对高周疲劳极限的影响17-18
• 1.5.2 外部损伤对高周疲劳的影响18
• 1.5.3 频率的影响18
• 1.6 变幅疲劳的提出18-19
• 1.7 变幅疲劳的研究现状19-27
• 1.7.1 线性损伤累积方法19-23
• 1.7.2 非线性损伤累积方法23-25
• 1.7.3 概率疲劳累积损伤理论25-27
• 1.8 本文主要工作27-29
• 第2章 高频疲劳试验系统简介与试样设计29-39
• 2.1 高频疲劳试验系统29-30
• 2.2 试验条件30-31
• 2.3 疲劳试样的设计计算31-32
• 2.4 疲劳试样的屈曲有限元模拟32-37
• 2.4.1 变截面压杆临界载荷的理论解法33
• 2.4.2 屈曲分析简介33-34
• 2.4.3 变截面压杆试样仿真分析34-35
• 2.4.4 最小截面的等截面法求解35-36
• 2.4.5 当量长度法求解36-37
• 2.4.6 关于两种理论解法的对比37
• 2.5 小结37-39
• 第3章 50CrVA钢常规变幅疲劳试验39-51
• 3.1 材料的力学性能与化学成分39-41
• 3.2 试样加工误差的影响41-42
• 3.3 试验结果与分析42-49
• 3.3.1 恒幅下的S-N曲线42-43
• 3.3.2 升降法测疲劳极限43-44
• 3.3.3 变幅疲劳试验44-49
• 3.4 小结49-51
• 第4章 微观观察与分析51-56
• 4.1 SEM电子扫描显微镜51
• 4.2 50CrVA钢微观机理51-55
• 4.3 小结55-56
• 结论56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目63

【参考文献】

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1 倪金刚;超声疲劳试验技术的应用[J];航空动力学报;1995年03期

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本文编号：986989