新型贝氏体钢在磨损载荷作用下协同疲劳寿命的初步研究

论文摘要

本课题是对低碳低合金GDL-1钢在磨损和疲劳载荷共同作用下的疲劳寿命进行了实验研究和理论分析计算。通过自行研发设计制造的磨损装置来研究磨损条件对试样循环疲劳寿命的影响,试图真实模拟实际构件在磨损载荷作用下,小裂纹在表层和次表层累积损伤、扩展直到最后断裂的演化全过程。经过上述实验研究获得磨损载荷条件下的疲劳寿命变化初步规律,为构件在磨损载荷条件下的疲劳寿命预测和构件强度设计奠定基础。文中从螺纹钎杆在实际工况下发生破坏中观察到:在岩矿石的剧烈磨损以及高压水流（或压气）冲刷和矿坑水的腐蚀条件下,钎杆还同时承受着拉、压、弯、扭和凿岩机的高频冲击载荷作用。钎杆的旋转凿岩过程会与岩石产生摩擦磨损、特别是螺纹连接部分表层会产较大的磨损,对钎杆疲劳寿命产生重要影响。认为在这种服役条件下的疲劳寿命是多载荷共同控制的疲劳寿命。这使我们对疲劳裂纹在表层萌生、扩展直至断裂的机理有新的理解。提出材料在多种载荷共同作用下,表面会形成一层较薄的干扰层（在本文实验中的干扰层由磨损层+形变层组成）。干扰层的形成强烈地影响了表层裂纹的萌生及扩展机制。而干扰层形成速率（Vm+Vx）（其中Vm表示磨损层的磨损速率,Vx则表示形变层形成的速率）与表层小裂纹中主裂纹扩展速率da/dN竞争机制,决定了材料的疲劳寿命。此时的疲劳寿命并非材料的本征疲劳寿命（只有单独疲劳载荷作用下的疲劳寿命）,而是协同疲劳寿命。协同疲劳寿命是指:材料或构件在除疲劳载荷以外的一种或多种其它载荷共同作用下的疲劳寿命。文中将所产生协同疲劳寿命的效应分两种情况:正协同疲劳效应和负协同疲劳效应。此外,论文还阐述了磨损速率Vm和形变层形成速率Vx两者之间的相互关系,以及两者决定的干扰层形成速率（Vm+Vx）对小裂纹中主裂纹扩展速率da/dN的影响,并进一步探讨磨损速率Vm和形变层形成速率Vx与协同疲劳强度的关系。另外,SEM观察到了纵剖面小裂纹从萌生到逐渐长大的演化过程,在对裂纹形态观察后,分析了试样破坏前的各种损伤情况:从单个小裂纹、多个单独小裂纹、小裂纹的三角沿晶形态、单个晶粒沿晶开裂、多晶粒晶界同时沿晶开裂、穿晶波动型疲劳小裂纹、多段直线型穿晶疲劳小裂纹等不同形态最终扩展成为破坏性宏观裂纹。对从小裂纹向宏观裂纹的转变时间、转变方式及所受干扰层中形变层应力分布等因素的影响分析后得出:磨损载荷产生的干扰层对构件的疲劳寿命有强烈的影响作用。在控制好磨损层厚度（以GDL-1钢为例,在空冷回火状态下渗层为0.6mm时,磨损层控制在0.12mm以内,形变层厚度在0.1mm左右）的条件下,会使构件的疲劳强度提高25MPa左右,也可以认为使构件在有磨损等多种载荷共同作用下的疲劳寿命得到提高。这对延长构件在多载荷作用下的使用寿命有重要的实际意义。也为解决钎杆在使用过程中过早破坏提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 采用符号
• 插图表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 疲劳研究概述
• 1.1.1 疲劳研究的发展
• 1.1.2 疲劳破坏的形式
• 1.1.3 材料的疲劳寿命
• 1.2 多载荷条件下疲劳性能的概述
• 1.2.1 多载荷条件下疲劳问题
• 1.2.2 多载荷条件下的疲劳性能研究近况
• 1.3 钎杆疲劳问题的研究意义和目前的使用情况
• 1.4 本课题的主要工作
• 第二章 旋转磨损载荷作用下的疲劳实验
• 2.1 前言
• 2.2 板状单边缺口试样在径向旋转磨损载荷条件下的疲劳实验
• 2.2.1 实验材料及方法
• 2.2.1.1 实验材料及试样尺寸
• 2.2.1.2 热处理工艺
• 2.2.1.3 微观观察分析
• 2.2.1.4 实验装置
• 2.2.1.5 疲劳实验条件
• 2.2.1.6 疲劳实验方法
• 2.2.2 实验结果
• 2.2.2.1 GDL-1钢渗碳空冷后的显微组织
• 2.2.2.2 力学性能
• 2.2.2.3 磨损条件下的疲劳实验结果
• 2.3 棒状半圆弧缺口试样在轴向旋转磨损载荷条件下的疲劳实验
• 2.3.1 实验材料及方法
• 2.3.1.1 实验材料及试样尺寸
• 2.3.1.2 试样的加工及热处理工艺过程
• 2.3.1.3 实验装置
• 2.3.1.4 棒状半圆弧缺口试样疲劳实验条件
• 2.3.1.5 棒状半圆弧缺口试样在磨损条件下疲劳实验方法
• 2.3.2 实验结果
• 2.3.2.1 显微组织观察
• 2.3.2.2 显微硬度测定
• 2.3.2.3 应力水平、疲劳寿命与磨损量关系
• 2.4 本章小结
• 第三章 磨损加轴向疲劳载荷下的受力分析及理论计算模型
• 3.1 接触理论介绍
• 3.1.1 Hertz接触应力
• 3.1.2 Smith接触应力
• 3.2 磨损加轴向疲劳条件下的应力分析模型
• 3.3 接触面以下深度z处切应力大小的计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 旋转磨损载荷条件下的疲劳性能的分析
• 4.1 前言
• 4.2 渗碳工艺对疲劳性能的影响
• 4.3 磨损加轴向疲劳载荷下疲劳小裂纹萌生与扩展
• 4.3.1 表面干扰层中小裂纹的萌生与扩展
• 4.3.2 次表层中小裂纹的萌生与扩展
• 4.3.3 基体组织中小裂纹的萌生与扩展
• 4.4 磨损速率与形变层形成速率的关系及其对疲劳寿命的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 干扰层形成速率与裂纹扩展速率竞争关系的理论分析
• 5.1 前言
• 5.2 多载荷条件下的协同疲劳强度和协同疲劳寿命
• m+V_x）与小裂纹中的主裂纹扩展速率竞争关系'>5.3 干扰层形成速率（V_m+V_x）与小裂纹中的主裂纹扩展速率竞争关系
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录