真空脱气轴承钢的试验研究

本文对采用真空处理冶炼轴承钢的RH法、VArD法和碱性电炉钢进行了试验研究。结果表明,破坏概率在10％的情况下,RH脱气轴承钢的疲劳寿命是大冶碱性电弧炉钢的1.4倍,VArD脱气轴承钢的疲劳寿命和大冶电炉钢相近,没有明显的提高。RH脱气轴承钢的疲劳寿命之所以得到提高是因为钢中非金属夹杂物分布瀰散,夹杂物由Al和Si氧化物类型组成,并具有硫化物包围氧化物的趋势:而VArD脱气轴承钢和电炉钢非金属夹杂物分布集中并多为Al和Ca的铝酸钙类型夹杂物组成,而铝酸钙盐所形成的点状夹杂物是降低钢材疲劳寿命的主要原因。钢中氧含量在14～30ppm,稳定夹杂物总量在0.011～0.016%之间对疲劳寿命没有显著的影响。非金属夹杂物至工作表面的远近直接影响材料的疲劳寿命,距工作表面越近其疲劳寿命越低。     

多夹杂物对重载铁路钢轨疲劳寿命的影响

非金属夹杂物容易引起钢轨疲劳损伤,为了探究非金属夹杂物特征参数对重载钢轨疲劳性能的影响规律,文中采用ABAQUS有限元软件建立重载钢轨分析模型,对外载荷作用下含夹杂物钢轨的应力状态进行仿真计算,通过FE-SAFE疲劳仿真软件对含多夹杂物钢轨进行疲劳寿命预测。结果表明：相比于软质塑性MnS夹杂物,硬质脆性Al₂O₃夹杂物对钢轨最大应力的影响更大;夹杂物位于钢轨的高应力区时,在外部载荷作用下,曲线段钢轨的最大应力大于直线段钢轨的最大应力;相邻夹杂物相距临界距离时,多夹杂物水平分布时比其垂向分布时对钢轨应力的影响更大,且随着相邻夹杂物距离变小,钢轨基体的最大应力变小;相邻多夹杂物会使钢轨疲劳寿命骤减,含4个相邻夹杂物的钢轨比含2个夹杂物钢轨的疲劳寿命短。     

复杂形状夹杂物对动车组车轮辋裂的影响

以CRH5型动车组轮轴为研究对象,研究了夹杂物的形态对轮辋局部应力和轮辋裂纹成核的影响。结果显示,夹杂物棱角角度越小,夹杂物周围应力水平越高;夹杂物的厚度越小,半径越大,夹杂物周围最大等效应力越大,越易引起局部应力集中,导致疲劳裂纹易于萌生。利用有限元法和曲线拟合方法得到不同工况下夹杂物的临界尺寸,研究发现:不同工况下夹杂物的临界尺寸不同,弯道工况下的临界尺寸最小,夹杂物的尺寸超过临界尺寸时,裂纹才会萌生。     

非均质材料非牛顿弹流润滑特性及疲劳寿命研究

滚动轴承的润滑性能及寿命与润滑剂的流变特性及材料的非均质性息息相关。本文在建立非牛顿弹流润滑模型、非均质模型及滚动接触疲劳寿命模型的基础上,考察了滑滚比、润滑剂特征剪应力以及夹杂物体积比对非均质材料润滑性能和疲劳寿命的影响。数值模拟结果表明,夹杂物的存在会引起油膜压力和次表面应力的显著变化,造成疲劳寿命的降低;滑滚比的增加和特征剪应力的增大均会引起最大von Mises应力的增加和疲劳寿命的降低,且相对于含硬夹杂物的材料而言,含软夹杂物的材料的疲劳寿命对滑滚比和特征剪应力的变化更为敏感;夹杂物在材料中所占的体积比越大,非均质材料的疲劳寿命越低。     

新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究

利用MTS-810疲劳试验系统进行高周疲劳试验,研究新型热轧Nb-Ti微合金化抗拉强度700 MPa级车厢板和780 MPa级大梁的疲劳性能,探讨晶粒尺寸、第二相(析出物、夹杂物)等对疲劳性能的影响机理。结果表明,在载荷比R= –1和循环基数为107条件下,700 MPa级车厢板和780 MPa级大梁钢的条件疲劳强度分别为438 MPa和443 MPa,疲劳强度比分别为0.61和0.57,明显高于一般钢材;试验钢的疲劳裂纹源包含驻留滑移带(Persistent slip bands, PSB)和大尺寸析出物或夹杂物;析出物尺寸越细小,发生裂纹失稳扩展所需要的临界断裂应力越高,不易形成疲劳裂纹源;第二相尺寸相当的前提下,带尖角的方形第二相较圆形或椭圆形第二相更易在交变载荷过程中发生应力集中,形成疲劳裂纹源;晶粒的超细化、析出物的纳米化、颗粒状或短棒状碳化物、低夹杂物水平是新型超高强汽车板具有优良抗疲劳性能的主要原因。     

速度对含夹杂物动车车轮轮辋疲劳寿命影响的研究

动车车轮轮辋疲劳裂纹常起裂于夹杂物聚集区,大尺寸的夹杂物聚集将会对其疲劳寿命产生影响。通过动力学仿真及有限元仿真结合材料疲劳试验确定了不同速度下含夹杂物车轮轮辋的概率疲劳寿命的方法。为了预估不同速度下含夹杂物动车车轮轮辋疲劳寿命,以CRH5型动车车轮为研究对象,建立了车辆动力学模型和含夹杂物的轮轴有限元模型,得到不同速度下车轮的随机载荷时间历程和危险部位的应力-时间历程,基于不同置信度和存活率下的S-N曲线和Miner准则对含夹杂物动车车轮轮辋进行疲劳寿命预估。结果表明:在相同的置信度和存活率下,随着速度的提高,含夹杂物车轮轮辋疲劳寿命会明显缩短;在相同的速度和置信度下,随着存活率的提高,含夹杂物车轮轮辋疲劳寿命会明显缩短;在相同的速度和存活率下,随着置信度的提高,含夹杂物车轮轮辋疲劳寿命会明显缩短。     

夹杂物尺寸与S135钻杆钢疲劳强度的相关性

对S135钻杆钢进行了旋转弯曲疲劳试验,研究了其疲劳性能,分析了夹杂物对疲劳性能的影响;利用光学显微镜测得不同视场下钢中最大夹杂物的直径,利用Murakami模型预测得到试样的疲劳强度,并与试验结果进行了对比。结果表明:疲劳裂纹源位于试样表面或次表面的复杂氧化铝夹杂物处,由升降法测得的疲劳强度为541.87 MPa;利用Murakami模型计算得到的疲劳强度与试验值的相对误差最大为5.62%,Murakami模型计算的准确性较高。     

夹杂物随机分布特征对齿轮接触疲劳性能的影响研究

齿轮材料中存在非金属夹杂物会显著降低齿轮的接触疲劳强度,其作用机理研究可为生产质量的控制和服役性能的评价提供重要指导。为此,建立了含随机分布非金属夹杂物的齿轮副有限元接触分析模型,并基于Brown-Miller多轴疲劳准则研究了夹杂物分布特征对齿轮接触疲劳性能的影响,预测了3种不同可靠度下的齿轮接触疲劳R-S-N曲线。结果表明,次表面夹杂物的存在,尤其是夹杂物的聚集,会产生相当大的应力集中,并造成接触疲劳寿命的显著降低;最小疲劳寿命深度主要位于0.35bH到0.75bH的范围内,其统计分布与对数正态函数的符合度最高,其次为三参数威布尔分布函数;接触疲劳寿命较好地符合三参数威布尔分布。     

轴承钢生产中的钡合金脱氧工艺

为提高GCr15轴承钢的质量,在生产中采用钢包精炼炉进行钡合金脱氧,并将此工艺生产的钢与钢包精炼炉和真空精炼炉用铝脱氧的钢进行了夹杂物对比分析和疲劳寿命对比试验.结果表明:钡合金脱氧钢的疲劳寿命高于相同氧含量真空和非真空铝脱氧钢的,钢中的夹杂物细小均匀,呈弥散分布,并消除了点状夹杂物;喂钡合金线的脱氧效果优于直接加入钡合金块的,其疲劳寿命最高,最终氧含量达到7 mg·kg-1.     

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。     

Evaluation of non-metallic inclusions of steels used for rolling bearings from fracture surface by rotating ring fatigue fracture test

Recent improvements in steel-making techniques have much decreased the content of non-metallic inclusions in steels. Inclusions are known to be detrimental to the rolling contact fatigue life of bearings. While bearing life has improved because of advances in steel-making techniques, the conventional method for evaluating non-metallic inclusions is losing its effectiveness. A new method for evaluating the non-metallic inclusion content of steels used for rolling bearings has been developed. In ring-type rotating fatigue fracture tests on quench-hardened specimens a crack usually initiates on the inside surface of the ring specimen. However, a crack initiates near the outside surface when the specimen has been treated, to produce a large residual tensile stress on the outside surface before the test. In this case, the fractured surface remains protected from damage caused by rubbing of the mating fracture surfaces until the test rig stops. A fish eye is observed on the fracture surface and there is a non-metallic inclusion at the centre of the fish eye. There is a correlation between the size of the non-metallic inclusion in the fish eye and the rolling contact fatigue life of the steel.     

高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。     

Fatigue crack initiation potential from defects in terms of local stress analysis

The competition of surface and subsurface crack initiation induced failure is critical to understand very high cycle fatigue（VHCF） behavior, which necessitates the elucidation of the underlying mechanisms for the transition of crack initiation from surface to interior defects. Crack initiation potential in materials containing defects is investigated numerically by focusing on defect types, size, shape, location, and residual stress influences. Results show that the crack initiation potency is higher in case of serious property mismatching between matrix and defects, and higher strength materials are more sensitive to soft inclusions（elastic modulus lower than the matrix）. The stress localization around inclusions are correlated to interior crack initiation mechanisms in the VHCF regime such as inclusion-matrix debonding at soft inclusions and inclusion-cracking for hard inclusions（elastic modulus higher than the matrix）. It is easier to emanate cracks from the subsurface pores with the depth 0.7 times as large as their diameter. There exists an inclusion size independent region for crack incubation, outside which crack initiation will transfer from the subsurface soft inclusion to the interior larger one. As for elliptical inclusions, reducing the short-axis length can decrease the crack nucleation potential and promote the interior crack formation, whereas the long-axis length controls the site of peak stress concentration. The compressive residual stress at surface is helpful to shift crack initiation from surface to interior inclusions. Some relaxation of residual stress can not change the inherent crack initiation from interior inclusions in the VHCF regime. The work reveals the crack initiation potential and the transition among various defects under the influences of both intrinsic and extrinsic factors in the VHCF regime, and is helpful to understand the failure mechanism of materials containing defects under long-term cyclic loadings.     

钢中非金属夹杂物来源分析

从外来夹杂物与内生夹杂物两个方面对非金属夹杂物来源进行分析,考察钢水中的全氧含量及钢包使用次数对夹杂物数量的影响。统计结果表明,现阶段精炼钢水中wT[O]稳定在25＆#215;10-6以内,而随着钢包使用次数的增加,钢中夹杂物数量也呈增加趋势。     

预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响

对含缺陷的未预滚压和预滚压车轮钢试样分别进行滚动接触疲劳试验,观察表面缺陷的形貌变化过程,分析预滚压和缺陷尺寸对轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。通过有限元方法分析缺陷附近材料的应力状态,通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响。试验结果表明:由于表层材料的塑性变形,未滚压车轮试样的缺陷尺寸随滚动周次的增加而减小;超过一定周次后,由于塑性变形不再累积,缺陷尺寸基本保持不变;预滚压处理通过减小表层材料的塑性变形,可抑制缺陷尺寸的减小,从而降低车轮试样的疲劳寿命;缺陷尺寸的增加会进一步降低预滚压试样的疲劳寿命;在油润滑条件下,预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。仿真结果表明,当缺陷尺寸从200μm增加至400μm,最大剪应力幅值从缺陷底部转移至缺陷中部,疲劳裂纹萌生位置也随之改变。     

辗轧工序对车轮摩擦磨损和接触疲劳性能的影响

为研究辗轧工序对车轮使用性能的影响,选择经辗轧工序成形和直接钢水浇筑成形的2种车轮材料,利用GPM-30试验机开展摩擦磨损和接触疲劳性能研究,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、ASPEX分析仪、EBSD分析2种车轮材料在不同接触应力状态下摩擦磨损和接触疲劳裂纹萌生扩展行为。结果表明:辗轧工序能够有效地细化车轮材料晶粒,减小珠光体片层间距,从而改善车轮微观组织,减少不均匀塑性变形,抑制裂纹的萌生和扩展,减少磨损量,延长接触疲劳寿命;同时发现夹杂物的形态影响接触疲劳试验亚表面裂纹的萌生。     

Material Inclusion Factors for Lundberg-Palmgren–Based RCF Life Equations

Material inclusions in the form of hydrogen embrittlement, carbides, etc., are by-products of manufacturing processes and commonly present in bearing steel. The objective of this study was to develop a life equation for rolling contact fatigue phenomenon that accounts for the effects of inclusions. The life equation was developed using the fatigue results previously obtained using the damage model (Jalalahmadi and Sadeghi, Journal of Tribology vol. 132, 2010). Four modifying factors counting for effects of the stiffness, size, depth, and number of the inclusions are used to modify the life equation. These modifying coefficients are extracted from the simulations obtained from the Voronoi Finite element (FE) model and the Lundberg-Palmgren-based fatigue criterion (Jalalahmadi and Sadeghi, Journal of Tribology vol. 131, 2009). These simulations predict Weibull slopes and L ₁₀ lives that are in good agreement with the previous theoretical and experimental results. It is seen that as inclusions become larger or shallower, they cause a larger decrease in the fatigue lives and their scatter. Also, introduction of more inclusions to the material significantly reduces the fatigue lives and their Weibull slopes.     

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。     

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。     

基于累积损伤的渗碳齿轮钢疲劳寿命预测模型构建

采用轴向高频疲劳试验机进行超高周疲劳实验,研究了不同应力比(R=0和R=0.3)下渗碳齿轮钢疲劳特性。结果表明：在应力比为0和0.3时,渗碳齿轮钢的失效形式分为表面失效和内部失效。内部失效过程分为疲劳裂纹萌生阶段(夹杂-细颗粒区(fine granular area, FGA))、稳定扩展阶段(FGA-鱼眼)和瞬间断裂(鱼眼之外)。基于累积损伤法,建立了内部裂纹萌生和扩展阶段的疲劳寿命预测模型;最终建立了渗碳齿轮钢多应力比下的全寿命预测模型,预测精度较高。