20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

承载超声冲击方法改善高应力比加载条件管接头疲劳性能

在高应力比R=0．5加载条件下采用T型管接头形式进行焊态、承载和非承载超声冲击处理试件的疲劳对比试验。试验结果表明:①在高应力比R=0．5加载条件下,管接头承受静载后再使用超声冲击方法对其进行处理仍然能够大幅度地延长焊接管接点的疲劳性能。②在承载超声冲击处理条件下,20钢T型管接头的疲劳强度(应力比R=0．5)提高了66％,疲劳寿命延长了3．8～4．0倍。③使用承载超声冲击处理这种工艺方法不仅可以在低中应力水平、中长寿命范围内改善焊接管接头的疲劳性能,也可以在高应力范围内改善其疲劳性能。这种工艺方法在一定程度上克服了承载前超声冲击方法对焊接接头疲劳性能改善程度在高应力区域内大幅度降低的缺点。     

20 kHz频率下高强度钢超高周疲劳研究

应用超声疲劳试验技术，对两种高强度钢在20kHz频率下10^5～10^10循环周次的疲劳性能进行了测试分析。结果表明：应力比R=-1时，D38MSV5S钢与100C6钢在10^5～10^10循环周次之间，试样仍会发生疲劳断裂，疲劳强度随循环次数的增加而下降；R=0．1时，D38MSV5S钢在10^6～10^7循环周次之问会出现疲劳强度。与30Hz频率下常规疲劳试验数据比较发现，频率对100C6钢的疲劳性能影响不大；R=-1时，D38MSV5S钢20kHz频率下的SN曲线略低于30Hz频率下的SN曲线，当R=0．1时，频率对D38MSV5S钢疲劳性能的影响更为明显。在超高周疲劳循环下，疲劳破坏主要起源于试样内部夹杂物。     

齿轮传动多模式失效的时变可靠性分析

提出一种在多种失效模式下的齿轮传动时变可靠性模型和计算方法.以齿轮疲劳寿命系数与应力循环次数之间的关系曲线建立齿轮强度时变模型,进而建立同时考虑齿面接触疲劳失效和齿根弯曲疲劳失效的可靠性分析模型.基于一次二阶矩方法推导齿面接触疲劳失效和齿根弯曲疲劳失效的时变概率计算公式,并推导出了这两种失效模式的联合失效概率密度函数的...     

PE100管材慢速裂纹扩展行为研究

从PE100管材中直接制取环切圆棒试件(Cracked Round Bar,CRB),根据ISO 18489在不同应力比R=0. 1,0. 2和0. 3下进行疲劳裂纹扩展试验并得到裂纹扩展规律。采用外推法将试验结果外推得到R=1(即表示蠕变)时的裂纹扩展规律。对含有内部环向半椭圆表面裂纹缺陷的PE管材进行剩余寿命计算,得到了在50年服役寿命下的最大允许裂纹尺寸和相应的应力强度因子值。     

用噪声和振动作轮齿失效早期监测的可能性

在不同赫兹应力水平(1400～2000MPa)下,用动力循环式齿轮疲劳试验机,对渗碳淬火和感应淬火直齿圆柱齿轮进行试验,从而搞清了它们的失效形式;从试验上阐明了齿轮在疲劳过程中齿廓的变化和动态特性的变化,如振动、噪声以及齿根应变等。事实说明,在齿轮的疲劳过程中,对于点蚀和由点蚀而引起的断齿,用测量声压级(spl)或声级(sI)的办法进行轮齿失效的早期监测是可能的.     

齿轮表层下疲劳失效的预测研究

以拖拉机变速箱主动弧齿锥齿轮为例,根据齿面沿深度方向剪切应力和剪切强度之比值分布进行表层下疲劳失效方式和疲劳源区域的预测分析和试验验证.通过齿轮剪切应力计算并与残余应力进行叠加分析,以及硬度与强度之间的转换关系,得到了齿轮沿齿面深度方向的应力与强度分布,以基于局部剪切屈服强度值方法判定准则,分析齿轮疲劳失效方式和相互转...     

IFToMM第六届大会齿轮部分论文摘要

利用噪声和振动早期探测齿轮轮齿失效的可能性(日本 Pujita,K.Yoshida,A.OTA,K.)在封闭功率流齿轮疲劳试验机上,在1400～2000MPa 的赫芝应力水平下试验渗碳淬硬及感应淬硬的正齿轮,弄清它们的失效模式。从     

基于残余应力的轮齿齿根强化对弯曲疲劳强度影响研究综述

随着工程技术的不断发展,弯曲疲劳强度成为齿轮进一步发展的重要限制因素,且弯曲疲劳失效相较于齿面失效更具危险性。结合齿轮弯曲疲劳折断机理及裂纹扩展过程,系统阐述了齿根裂纹萌生重要影响因素(包括齿根过渡圆角、磨削台阶及残余应力场等)对齿根弯曲疲劳性能的影响;基于残余应力和表面及亚表面组织可控的齿面强化机理,进一步分析了改善齿轮弯曲疲劳性能的表面强化工艺(包括喷丸强化、齿根磨削工艺等)及其研究进展;着重探讨了齿根磨削对齿轮弯曲疲劳性能的影响。为工程实际中优化齿轮设计及制造、改善齿轮弯曲疲劳性能提供理论依据和技术参考。     

基于等效原场应力的失效评定曲线

首先针对油气管道的断裂数据,阐述R6的选择2曲线因使用假设h(n)h(n=1)≈1带来的不足,通过分析说明该假设不但会使评定结果出现保守情况,而且可能使评定结果出现非保守情况.然后根据计算J积分的等效原场应力方法推导基于等效原场应力的失效评定曲线.文中推导的基于等效原场应力的失效评定曲线形式上类似于R6的选择2曲线,但评定精度接近基于严格J积分定义的失效评定曲线.同时,该评定曲线同样适用于任意应力应变关系材料,包括Ramborg-Osgood(R-O)关系材料和任意单调加载非R-O关系材料,例如长屈服平台钢,在工程上十分适用.     

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。     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。     

含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。     

带有微动磨损缺口钢丝的疲劳特性

在自制的微动磨损试验机上进行钢丝的微动磨损试验,将微动磨损后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行不同应力比和不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,钢丝的微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而增加,磨损缺口处的应力集中使其成为了裂纹萌生源,也使钢丝试样的疲劳寿命大大降低,微动磨损后钢丝试样的疲劳寿命和磨损深度呈反比关系。通过钢丝疲劳断口的SEM形貌分析了其疲劳断裂机制,断口对应不同的疲劳阶段,可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区。     

A new methodology for predicting crack initiation life for rolling contact fatigue based on dislocation and crack propagation

A new methodology for predicting crack initiation life is presented and validated experimentally. The methodology considers that the total fatigue life is the summation of crack initiation life and crack propagation life, since fatigue failures are due to crack initiation and crack propagation. It has been established that the crack propagation life can be estimated based on a modified Paris’ law when the size of crack is larger than a certain value. However, there has been no verified method for estimating the crack initiation life with good accuracy. The proposed methodology for predicting the crack initiation life is based on a dislocation model, and the constants for the model are determined by the crack initiation lives obtained by a new approach. This new approach determines the crack initiation life by subtracting the predicted crack propagation life from the experimentally obtained total fatigue life. The developed crack initiation life model is combined with a crack propagation life model for the prediction of fatigue life. It is noted that the standard deviation in the ratios of experimental life to predicted life by the developed fatigue life model is only 14% of that by the International Standard.     

齿轮接触疲劳寿命评估和大循环次数区的材料疲劳特性

统计断裂力学的应用和“双斜率”假设的实验验证标志着齿轮寿命评估研究的新进展,通过20Cr2Ni4渗碳钢断裂特性测定和其他实验数据,对比了AGMA2001—B88及ISO6336—93两个最新标准,印证了小裂纹扩展第一阶段斜率即是材料在大循环次数区的S-N曲线斜率。     

Influence of Nano/Micro CBN Particle-Coated Tools on Rolling Contact Fatigue Performance of Hard-Machined AISI 1053 Steel

In this article, we study the influence of the cubic boron nitride (CBN) particle size in nano/micro CBN particle-coated tools on the fatigue performance of hard-machined AISI 1053 steel. The effect of the CBN particle size on the crack initiation life and the crack propagation life is reduced significantly with increased loading, whereas the crack propagation life is more influenced by the CBN particle size compared with the crack initiation life. The CBN particle size can influence the crack initiation life by 96 % and the crack propagation life by 130 %. As a result, it can influence the fatigue life by 370 % at the maximum Hertzian stress of 2,724 MPa. The results demonstrate that the CBN particle size influences the fatigue life and that the effect of the CBN particle size on the fatigue life can be lessened significantly if the loading is increased to a certain level that depends on the function of machined surfaces.     

疲劳失效预测的研究现状和发展趋势

综述了国内外有关疲劳失效的判断、疲劳强度理论及其应用、疲劳失效预测方面的研究现状。分别对常用的理论和方法进行了介绍,指出了不同理论和方法的优缺点。重点介绍了疲劳裂纹形成的失效预测方法,按疲劳裂纹形成失效预测的基本假定和控制参数大致分为名义应力法、局部应力应变法、场强法和能量法等。根据断裂力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法在寿命预测中具有越来越重要的地位,对疲劳失效预测进一步的发展方向进行了展望。     

基于能量密度法预测微动疲劳寿命

通过接触界面的应力应变场和临界平面法计算了能量密度损伤参数,结合疲劳试验得到了能量密度损伤参数-寿命关系曲线中的材料常数,建立了LZ50钢微动疲劳寿命的预测公式。根据裂纹萌生寿命预测效果,将Chen损伤值作为裂纹萌生控制参数。分析了摩擦因数、微动桥半径、循环载荷和微动桥压力对LZ50车轴钢的Chen损伤值的影响,以及CRH2型动车组空心车轴裂纹萌生的位置及寿命。     

Life estimation of Ti-6Al-4V specimens subjected to fretting fatigue and effect of surface treatments

Suitability of different multi-axial parameters in predicting fretting fatigue life of Ti-6Al-4V specimens has been investigated. Ameliorating effect of surface treatments on fretting fatigue has been studied. In simple uni-axial/multi-axial fatigue tests, nucleation as well as propagation of cracks occur under the influence of identical stresses. Hence nucleation accounts for most of the total life. Fretting fatigue crack nucleation occurs due to very large contact stresses, effect of which is felt only close to the surface (due to steep gradients). Propagation mostly occurs due to lower stresses in the bulk of the material (negligible influence of contact tractions) and forms a significant portion of total life. Total life has to be taken as sum of initiation life calculated from different multi-axial fatigue parameters and propagation life from conventional fracture mechanics approach. Steep stress gradients necessitate the adoption of a statistics based approach to predict the crack initiation life, based on an assumed distribution of flaws. The quality of comparison between predicted and experimentally observed failure lives provides confidence in the notion that conventional fatigue life prediction tools can be used to assess fretting fatigue failure. Effect of surface treatments like shot-peening with or without additional surface coatings on total life of the specimen and on friction coefficient has been studied.