超声速等离子喷涂Ni60A涂层的滚动接触疲劳寿命*

制备高质量的超声速等离子喷涂Ni60A涂层,并研究该涂层的滚动接触疲劳性能及寿命。通过正交试验对Ni60A涂层的4个主要喷涂工艺参数(喷涂电压、喷涂电流、Ar气流量和喷涂距离)进行优化设计,通过分析孔隙率和显微硬度值的大小,综合评价喷涂层质量。利用Image J2x孔隙率计算软件计算涂层孔隙率,利用扫描电镜分析Ni60A粉末和喷涂层的微观结构,采用显微硬度计测定涂层的显微硬度,利用RM-1接触疲劳/磨损多功能试验机对涂层进行不同载荷条件下的接触疲劳试验,并建立Weibull失效概率图。结果表明,通过正交试验可以获得高质量的超声速等离子喷涂Ni60A涂层,超声速等离子喷涂Ni60A涂层的最优喷涂工艺参数为：喷涂电压170 V,喷涂电流370 A,Ar气流量110 L/min,喷涂距离110 mm,通过最优参数制备得到的Ni60A涂层的孔隙率为1.05%,显微硬度为1 086 HV_0.2;在不同接触应力水平下,Ni60A涂层的寿命服从Weibull分布,通过Weibull失效概率图可以在一定范围内预测某一工作载荷下涂层的接触疲劳寿命。     

涂层结构对等离子喷涂陶瓷涂层抗热震性的影响

采用等离子喷涂工艺制备了四种结构的金属－陶瓷复合涂层，对涂层进行了热震试验，并探讨了涂层的热震失效机制。试验结果表明，涂层热震的效的本质为循环应力作用下的疲劳失效，其失效过程包括裂纹形成，扩展及最终剥落三个阶段。     

超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机的研制

在总结分析目前国内外表面超硬涂层零件接触疲劳失效行为评估技术的基础上，依据超硬涂层零件接触疲劳失效机制模型，自主研制了一种超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机。介绍了该试验机的设计原理和特殊功能，采用该试验机对51306纳米超硬材料涂层轴承滚动接触疲劳失效行为进行了试验评定。试验证明所研制的超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机智能检测控制系统能够动态探测诊断涂层轴承表面初始疲劳裂纹并实现急停，可捕捉试验轴承表面疲劳初始状态，为超硬涂层零件接触疲劳失效机制分析提供可靠的试验依据。     

超硬涂层轴承的滚动接触疲劳试验

介绍了超硬涂层轴承滚动接触疲劳试验机的原理及功能,并对表面涂层的51306型轴承滚动接触疲劳失效进行了试验分析。通过对影响涂层接触疲劳破坏的几个重要参数的动态检测与控制,试验成功捕捉到了超硬涂层轴承表面疲劳裂纹的初始形态,分析了涂层轴承接触疲劳失效机理,为涂层轴承疲劳寿命评估提供了依据。     

Ni-P-Al2O3复合涂层划痕试验中的表面裂纹分析

为了揭示Ni-P-Al2O3复合涂层的失效机理,对Ni-P-Al2O3复合涂层进行划痕试验和划痕过程的有限元模拟。划痕试验表明在Ni-P-Al2O3复合涂层的划痕表面上产生了一定间隔距离的横向表面裂纹。划痕过程的有限元模拟揭示在划痕过程的不同阶段涂层表面和界面上应力分布规律,揭示涂层表面裂纹产生的模式和形成的机理。划痕过程分为划针尖端压入涂层表面、在涂层表面上滑动和从涂层表面升高等3个阶段。前两个阶段由于划针尖端对涂层表面的作用,在涂层表面形成划痕沟槽,引起涂层表面产生裂纹。应力分析表明在划痕过程中涂层表面裂纹形成有两种方式。第一种方式是首先在涂层界面产生裂纹,然后裂纹向表面扩展形成表面裂纹;第二种方式是涂层表面直接形成表面裂纹。表面裂纹是最大拉应力引起的,因此,表面裂纹是第一型裂纹。划针尖端从涂层表面升高后在涂层中留下了较大的残余应力,最大残余拉伸应力是出现在接触中心之下的界面上的第一残余主应力。这些结果将为涂层设计和应用提供依据。     

两阶段疲劳损伤等效方法与概率疲劳失效判据

针对长寿命、高可靠零部件的概率疲劳寿命预测,应用三参数威布尔分布描述疲劳寿命概率分布,研究不同水平的应力循环数之间的损伤等效关系,提出两阶段应力循环等效方法,建立疲劳损伤等效/失效概率等效循环数模型。对于小于寿命分布位置参数的应力循环数,根据应力与寿命分布位置参数之间的关系转换不同应力水平下的损伤等效循环数;对于大于寿命分布位置参数的循环数,根据疲劳失效概率等效转换不同循环应力水平下的等效循环次数。应用这样的方法及模型进行变幅应力历程下的疲劳失效概率计算或概率疲劳寿命预测,能够很好地处理寿命随机变量的最小可能值远大于零的工程实际问题,同时也保证了在转换不同水平应力循环数过程中的失效概率等效。     

基于最弱环理论的缺口件概率疲劳寿命预测方法

基于最弱环理论和光滑试样疲劳寿命的Weibull分布,建立了一种缺口件概率疲劳寿命预测方法。该方法首先基于最弱环理论和光滑试样的疲劳强度分布,通过定义缺口件的Weibull有效应力,建立了缺口件在给定循环载荷下的疲劳失效概率计算公式。基于Weibull有效应力和光滑试样的疲劳应力-特征寿命方程,可计算得到给定循环载荷时缺口件的特征疲劳寿命,进一步根据光滑试样的Weibull疲劳寿命分布可最终获得缺口件在给定循环载荷下的疲劳寿命分布。采用上述方法对TC4缺口试样进行了概率疲劳寿命预测,并与局部应力应变法预测结果进行了对比。结果表明:局部应力应变法预测结果过于保守,本文方法预测精度较高,50%失效概率时的疲劳寿命预测结果与缺口试样试验均值寿命吻合很好,10%和90%失效概率时的疲劳寿命预测结果基本分布在试验均值寿命的两倍分散带之内。     

叶轮叶片铣削残余应力模型的建立与验证

叶轮的疲劳危险部位处于分流叶片前缘,而决定分流叶片前缘残余应力的主要工序是叶片铣削加工.为了模拟叶片铣削过程中的残余应力状态,本文结合材料特性、刀具设计以及加工过程,完成了球头铣刀的三维建模.在此基础上考虑金属动态变形、材料失效、接触摩擦以及力热变换等因素,建立了叶轮叶片的铣削残余应力仿真计算模型,并对模型进行了试验验证.不同刀轴倾角下样件表面试验残余应力与仿真残余应力整体变化趋势一致,表明模型可靠.     

氮化硅陶瓷球滚动接触疲劳寿命模型

针对球与圆柱接触模型中的陶瓷球,利用WEIBULL断裂统计方法导出球疲劳失效概率与寿命之间的关系方程,在相关额定寿命与最大接触应力的数值解基础上,基于最大主拉应力,构建氮化硅陶瓷球的滚动接触疲劳寿命与接触应力的数学模型.经与不同接触应力水平下的滚动接触疲劳寿命试验结果验证,表明该拉应力一寿命模型的正确性,从而验证了氮化硅陶瓷球的滚动接触疲劳失效源于最大主拉应力,而非基于最大切应力的设想.通过与L.P切应力一寿命模型预测结果的比较,表明拉应力一寿命模型适合于陶瓷球的接触疲劳寿命预测.     

GB12759—91型双圆弧齿轮调质钢接触疲劳强度的可靠性试验与分析

本文在22对GB12759—91型(以下简称91型)双圆弧齿轮调质钢接触疲劳加速寿命试验的基础上,经过数据处理,得出了91型双圆弧齿轮的接触疲劳寿命分布及不同失效概率下的P—S—N曲线族和接触疲劳极限应力的分布规律。为91型双圆弧齿轮碳钢调质接触疲劳强度的可靠性计算提供了有实验基础的参考数据。同时,通过薄膜复型,得到了一系列双圆弧齿轮齿面点蚀失效照片,为研究双圆弧齿轮的点蚀失效机理提供了依据。     

Durability of plasma-sprayed Cr3C2-NiCr coatings under rolling contact conditions

The aim of this paper was to address the rolling contact fatigue (RCF) failure mechanisms of plasma-sprayed Cr3C2-NiCr coatings under different tribological conditions of contact stress. Weibull distribution plots of fatigue lives of the coated specimens at different contact stresses were obtained. The failure modes of coatings were identified on the basis of wore surface observations of the failed coatings. Results showed that the RCF failure modes can be classified into four main categories, i.e., surface abrasion, spalling, cohesive delamination, and interfacial delamination. The probabilities of the surface abrasion and spalling type failures were relatively high at low contact stress. When the coatings were subjected to abrasion and spalling type failures, the failure of the coating was depended on the microstrcture of the coating. The stress concentration near the micro-defects in the coating may be the may reason for the formation of spall. The coatings were prone to fail in delamination under higher contact stresses. However, the delamination of coating may be related to distribution of shear stress amplitude within coating. The location of maximum shear stress amplitude can be used as a key parameter to predict the initiation of subsurface cracks within coating in rolling contact.     

锻造模具的随机疲劳损伤分析

塑性应变控制的低周疲劳失效是锻造模具的主要失效形式，由于受到多种因素的影响，其损伤过程呈现随机性。应用有限元与BP神经网络，建立了一种基于损伤累积理论的锻造模具的随机疲劳损伤分析模型。首先用有限元对锻造过程中模具内的场变量进行分析，由计算结果找到模具的危险部位，认为危险部位失效时的寿命即为模具寿命，并计算出确定性损伤；再考虑模具材料及实际工况的随机性，应用BP神经网络对模具的损伤进行模拟；根据损伤的累积效应，得出考虑随机因素作用下的模具疲劳寿命。以锻造齿轮模作为分析对象，得到不同工况下模具疲劳寿命的频数分布，其分布规律基本服从Weiubull分布。另外，还分析了打击速度对模具寿命的均值和离差的影响及可靠性随使用次数的变化。该 模型可用来对模具进行寿命预测和可靠性分析。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

FATIGUE RELIABILITY DESIGN AND ESTIMATION METHOD FOR VARIABLE LOADING

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复合材料层合板疲劳寿命的可靠性分析

基于唯象的剩余强度衰减模型与蔡－希尔静强度判据,建立单向层合板在任意复杂面内应力作用下的疲劳失效准则。利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命,并对其进行可靠性评估。根据Ｔ３００／ＱＹ８９１１的三种典型层合板［０］１６、［９０］２４和［±４５］３Ｓ的拉—拉疲劳试验结果,利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命,结果表明寿命服从Ｗｅｉｂｕｌ分布。     

Influence of undercoating on rolling contact fatigue performance of Fe-based coating

The aim of this paper was to address the influence of undercoating on the rolling contact fatigue (RCF) performance of coatings. The Fe-based alloy and Ni/Al alloy were deposited on substrates as surface coating and undercoating by plasma spraying. The failure modes were investigated for two kinds of coatings. RCF performances were compared using Weibull distribution plot. The results showed undercoating played an important role on increasing RCF life of coating for the higher bond strength, and decreasing the scatter of RCF life data. The deposited undercoating could influence the failure mode of coating and prevent the occurrence of catastrophic delamination.     

Weibull Distribution of Rolling Contact Fatigue Life and Deviations Therefrom

A composite sample of over 2500 rolling element bearing fatigue failures is examined for fit of the standardised lives to a Weibull distribution with zero lower bound. Good fit is confirmed in the most used cumulative failure probability region between 10% and 60%. Outside this region, experimental life is larger than the Weibull prediction. A short but finite minimum life appears to exist. The excess of experimental over Weibull life is analysed by evaluating the mathematical conditions assuring validity of a Weibull representation. The inapplicability of asymptotic theory to late failures is suggested. A two-phase fatigue mechanism of crack initiation and propagation is outlined which serves to explain excess life in the early failure region.

Data presented can be used to improve the accuracy of life estimates in the early failure region.     

某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命分析

确定发动机零部件的最大应力应变循环是进行零部件寿命研究的重要内容之一.弹塑性有限元分析常用于计算最大应力应变循环,但是由于各种载荷、约束等条件考虑不全面,得到的应力应变循环往往偏大.同时,某些零部件的瞬态温度场是决定其疲劳强度和使用寿命的重要因素,而获得准确的瞬态温度场是非常困难的.文中对某型发动机的高压涡轮盘进行疲劳试验条件下弹塑性有限元分析,对一台涡轮盘的残余应力进行测试,利用稳态温度场计算涡轮盘危险点最大应力应变循环,并根据弹塑性有限元分析和通过残余应力测试得到的最大应力应变循环进行低循环疲劳寿命预测.研究结果表明,弹塑性有限元分析法预测的寿命偏低,由残余应力可以较准确地确定最大应力应变循环.