结构钢超高周疲劳性能研究

发布时间：2020-06-21 10:45

【摘要】： 传统疲劳设计理念认为，载荷循环周次在10~7以上的结构构件具有无限疲劳寿命，通常以10~7循环周次所对应的疲劳试验数据做为强度设计依据。但是随着机械设备向高速大型化发展，许多机械和工程结构，如高速铁路的机车车辆结构及零部件，核电站散热器管道，发动机零部件等在承受10~7～10~(10)周次的应力循环载荷后的超高周阶段，仍然发生疲劳破坏。传统的疲劳设计规范和寿命预测方法已经不能满足超高周区域机械设备的使用要求，所以有必要对常用的结构钢种进行超高周疲劳试验，得到超高周疲劳数据，对现有设施以及以后待建项目的疲劳强度设计、安全评估及寿命预测都有非常重要的工程意义。本文以16Mn结构钢，304不锈钢，42CrMo钢为研究对象，用超高周疲劳试验方法，进行了10~4-10~(10)寿命范围内的超高周疲劳行为的研究。通过超高周疲劳试验得到三种材料在试验下的S-N曲线，分析了S～N曲线的特征，用扫描电子显微分析方法(Scanning Electron Microscopy)研究了三种结构钢的疲劳断裂行为和疲劳断裂机理，分析了裂纹萌生和裂纹扩展机制。研究发现，三种结构钢S-N曲线均具有阶梯型下降特征，不存在传统意义上的疲劳极限，16Mn结构钢在10~7循环周次以下高周疲劳阶段和10~7循环周次以上超高周疲劳阶段，疲劳裂纹源均在试样表面萌生。而304不锈钢，42CrMo钢在10~7循环周次以下高周疲劳阶段，疲劳裂纹从试样表面萌生，10~7循环周次以上超高周疲劳阶段疲劳裂纹多在试样次表面缺陷处萌生。16Mn结构钢和42CrMo钢疲劳裂纹的扩展机制对高周和超高周疲劳而言没有本质的区别。而304不锈钢第一扩展区形貌与传统定义的第一扩展形貌有着明显的不同，进而定义了304不锈钢超高周疲劳的第一扩展区。研究了加载频率对16Mn结构钢的疲劳性能的影响，发现16Mn结构钢内部组织结构存在塑性很差的渗碳体是导致超高周疲劳性能降低的主要原因。通过扫描电子显微分析方法(Scanning Electron Microscopy)和X衍射分析(X-ray diffractometer)发现在304不锈钢的超高周试验中存在裂尖应变诱发马氏体相变，分析了产生相变的原因。推导了304不锈钢管道流固耦合方程，并对管道使用寿命进行了预测。为管道疲劳设计提供一种可行的方法。通过比较分析40Cr钢，42CrMo4钢的超高周疲劳S～N曲线，发现合金元素Mo提高了材料超高周疲劳性能。并结合Mo在合金化中的作用，分析提高材料超高周疲劳性能的微观机理。从微观角度分析本文三种结构钢没有出现典型内部萌生机制的原因。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG142.15
【图文】：

N曲线,N曲线,高强钢,旋转弯曲疲劳

shinzawallZ一l’l等人用频率为3150r/m(f=52.SHz)四轴悬臂旋转弯曲疲劳试验机对suJZ等高强钢进行了超高周疲劳性能研究，在1了一109周次范围内，高强钢的疲劳S一N曲线如图1一1所示。Murakamil‘5一1刀等人用30一100比的拉压疲劳试验机得到的高强钢的疲劳S一N曲线呈现阶梯下降型，如图1一2所示。由于超声疲劳试验技术具有很高的频率，可以在很短的时间内使试验周次达到1护周次，因此学者们用超声疲劳试验技术对大量材料进行了超高周疲劳性能研究，测出的疲劳S一N曲线或呈连续下降型(如40c:钢tls]、LY12铝合金119】{LY10铝合金[z0l、20对邢51铝合金[2‘l、低温回火Jls一sNeM439钢【221、球墨铸铁‘23，241、555。弹簧钢125，26]等)，或呈阶梯下降型(如50钢[271、54se6弹簧钢[27

SN曲线,轴承

由S一N曲线可见，在超高周范围内，材料己不存在传统意义上的疲劳极限，只有条件疲劳极限，即指定寿命的疲劳强度。因此，用传统意义上的疲劳极限进行疲劳强度设计不能保证构件的安全性和设计的精确性，有必要研究107周次以后材料的疲劳性能。.3.2超高周疲劳裂纹萌生机理低周和高周疲劳试验表明，疲劳断裂总是开始于零件关键部位应力或应变集中区材料的循环塑性应变，通常疲劳裂纹在试样的表面萌生:__超声疲劳实验技术得到的材料超高周疲劳试验结果表明，在应力幅很低的情况下，试样仍会发生疲劳断裂。试样疲劳断口扫描电镜分析结果表明，对应于应力较高、寿命较短的第一次下降阶段，疲劳裂纹通常在试样的表面缺陷处萌生;而对应于应力较低，寿命很长的超高周阶段，疲劳裂纹则大多在试样的次表面、内部夹杂、空洞等微观缺陷处萌生【24一26】，参照图1一3和图1一4。能谱分析表明，

【引证文献】