马氏体轴承钢碳氮共渗滚动接触疲劳失效机理EI北大核心CSCD

碳氮共渗工艺应用广泛,但对碳氮共渗后零部件的滚动接触疲劳失效机理研究较少。采用气体碳氮共渗对马氏体轴承钢进行表面改性处理,对碳氮共渗试样进行滚动接触疲劳试验,研究碳氮共渗对轴承钢滚动接触疲劳性能的影响及其失效机理。研究结果表明:碳氮共渗试样表面硬度、残余应力和残余奥氏体含量显著提高,使得其接触疲劳寿命明显高于常规试样。疲劳裂纹萌生于表面和亚表面,其中大量表面平行裂纹主要由表面白色蚀刻层硬度梯度变化而导致,表面材料受到严重微观塑性变形产生晶粒细化;亚表面裂纹萌生位置受最大应力的分布和渗层厚度的影响。表面和亚表面疲劳裂纹的扩展和连接最终导致碳氮共渗试样出现浅层剥落和分层剥落的失效形貌。     

高铬硅耐磨铸铁的研制

冲击疲劳落球试验和冲击磨损试验结果表明,研制的铸态去应力处理的高铬硅耐磨铸铁抗冲击疲劳剥落和抗冲击磨料磨损性能优于马氏体Ｃｒ１５耐磨铸铁;且高铬硅耐磨铸铁断面硬度均匀、生产成本较低。高铬硅耐磨铸铁适宜于制造球磨机磨球。     

喷丸对25CrNi2MoV钢滚动接触疲劳性能的影响

目的提高25CrNi2MoV钢的滚动接触疲劳性能。方法对25CrNi2MoV钢进行表面喷丸处理,并采用3D形貌仪、光学显微镜、显微硬度仪、X射线应力分析仪与滚动接触疲劳试验机等仪器,对试样表面形貌、表面显微组织、显微硬度、表面残余压应力与滚动接触疲劳性能等进行测试分析。结果与未处理试样相比,经喷丸处理后,试样表面形貌由磨削加工槽型向酒窝状的弹坑转变,表面粗糙度增大,表面显微硬度由503HV0.2增大到577HV0.2,增加了14.7%,表面残余压应力由-90.0 MPa增大到-758.0 MPa。当喷丸强度为0.445 mmA时,试样具有最好的滚动接触疲劳寿命,其额定寿命(L10)、中值寿命(L50)、特征寿命(L63.2)分别为4.973×10^6次、6.578×10^6次和6.945×10^6次,分别是未处理试样对应寿命的11.1倍、7.3倍和7.0倍,试样滚动接触疲劳失效形式主要为疲劳剥落。当喷丸强度为0.596 mmA时,试样表面出现微裂纹,导致滚动接触疲劳寿命降低,此时试样疲劳失效形式主要为点蚀与疲劳剥落。未处理试样疲劳失效形式主要为分层。结论喷丸处理能细化试样表层晶粒组织,增大试样表面粗糙度、表面硬度与表面残余压应力。合适强度的喷丸处理可以抑制试样表面与次表面裂纹的萌生与扩展,显著提高滚动接触疲劳性能。     

Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力有限元分析

采用有限元法分析Ni-Cr合金与陶瓷连接冷却过程中界面残余应力形成的大小和分布特征.结果表明,Ni-Cr合金与陶瓷存在较大的线膨胀系数差,在界面间会产生较大的残余应力,并因为边缘效应在拐角处产生应力集中,残余应力最大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面的近瓷侧,可达131 MPa.Ni-Cr/陶瓷界面残余应力σz较大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面近瓷侧的狭小区域内,剪应力τzx的较大值出现在金/瓷界面,向合金和陶瓷两侧递减.采用钛中间层缓解了Ni-Cr/陶瓷界面残余应力,使残余应力向钛中间层转移,残余应力σz较大值出现在钛中间层,剪应力τzx最大值出现在Ni-Cr/Ti界面;随着钛中间层厚度增加,界面残余应力σz增大,剪应力τzx变化不大.     

钛基 / TiN 涂层接触应力有限元分析

目的研究在接触载荷作用下,钛基/TiN涂层的应力变化规律。方法利用ABAQUS软件建立可靠有限元模型,分析涂层厚度不同的钛基/TiN涂层系统在球压头作用下的接触应力。结果钛基/TiN涂层系统最大Mises应力出现在距表面约0.4a(a为接触半径)处的亚表层或者亚表层附近的界面处。在接触应力和弯曲应力作用下,涂层弯曲变形会影响涂层的径向应力和剪应力分布。结论在接触载荷作用下,涂层内存在接触应力和自身弯曲两种应力作用。分析结果有利于理解钛基Ti N涂层的失效机理。     

铸造低铬磨球早期失效的研究

通过对低铬磨球进行落球试验和凿击试验,得出:采用金属型-砂型复合铸型铸造的低格磨球早期失效成梨形前,大量磨球存在剥落现象;裂纹首先产生于金属型砂型交界部位,而后产生碎片剥落,且碎片是从金属型砂型交界部位剥离;对剥落碎片的断口形貌分析,可判断金属型砂型处磨球碎片的断裂方式为解理穿晶脆性断裂。     

高速钢表面TiN薄膜的界面疲劳剥落行为

采用多弧离子镀技术在M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)表面制备TiN薄膜,利用滚动接触疲劳法对薄膜界面疲劳行为开展研究.结果表明,界面疲劳失效主要表现形式为薄膜剥落,疲劳裂纹最先萌生于膜/基界面,经一定周次后向薄膜表面偏折,最终造成薄膜剥落.界面最大剪切应力幅(Δτinter)是控制界面裂纹萌生和扩展的主要力学参量,通过Δτinter和临界疲劳周次(N)构建的评价模型可有效用于薄膜界面疲劳性能表征和寿命预估.界面疲劳性能与膜/基界面状态密切相关,利用Δτinter-N评价模型可有效辨别界面状态间的差异,采用辉光清洗或预制金属打底层等预处理方式均能有效提升界面抗疲劳剥落性能.选取薄膜剥落面积比为5％和50％,以及失效概率为30％、60％和90％比较发现,薄膜剥落面积比和失效概率值大小的选取不影响膜/基界面疲劳性能的判定.研究结果为镀膜轴承等零部件的疲劳性能表征和寿命预估提供了重要理论参考.     

冷连轧机工作辊综合应力场的解析、测试及剥落损伤的力学原因分析

本文用边界元法解析了冷轧机工作辊的接触面力,给出了精确计算边界层内部点应力的边界元法新公式和计算表层淬火残余应力的简便模型,从而求出了工作辊表层机械应力场和淬火残余应力。经过测试证明,上述两种应力的解析方法是可信的。通过工作辊综合应力场的计算,首次得出与支撑辊接触区表层最大剪应力曲线,从理论上指明轧辊表层剥落中表裂致剥和内裂致剥的两种情况同时存在,淬火层厚度大小可改变表层最大剪应力分布曲线的     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

接头形式对陶瓷/金属连接残余应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了用AgCuTi钎料并添加Kovar中间层对氧化铝陶瓷/不锈钢进行钎焊连接接头残余应力的分布情况,分析接头形式对残余应力的影响.结果表明,采用等壁厚直接对接接头时,接头最大等效应力高达600 MPa以上,而将不锈钢壁厚减半后再进行对接时,接头最大等效应力可以降低近200 MPa;两种情况下最大等效应力均出现在靠近连接界面的陶瓷中,断裂易在此位置发生.考查了各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示轴向应力和剪切应力在靠近界面的陶瓷侧有较大残余拉应力是造成接头强度降低的主要因素.     

混合陶瓷球轴承接触曲面及接触应力的三维有限元分析

本文提出用有限元法，并借助于有限元分析软件ANSYS5．7对转速为60000r／min的深沟混合陶瓷球轴承接触应力进行计算，并用二次曲面方程对接触曲面的形状进行拟合。     

数控机床滚珠丝杠副织构化减摩设计及仿真

针对数控机床进给系统滚珠丝杠副高速运行时润滑不良、磨损较大的情况,基于Hertz接触理论对滚珠丝杠副的接触应力进行计算并确定了织构的加工位置,建立了有、无织构的滚珠丝杠副分析模型,对滚珠丝杠副的接触应力和润滑特性进行有限元分析,并对比分析了有、无织构时滚珠丝杠副的接触与润滑性能。结果表明,有织构时虽会增大滚珠丝杠副的接触应力,但在织构两侧产生的流体动压可使滚珠丝杠副形成流体摩擦,极大改善其润滑性能,从而起到很好的减摩效果。     

基于赫兹理论的弹性磨具磨抛 M300 钢表面参数模型研究

目的由于弹性磨具与曲面接触特征的多样性,导致弹性磨具呈非常量磨损,使磨具的磨抛工况变得复杂,磨抛参数对表面精度的影响没有得到理论上的阐释,通过实验研究磨削过程的磨削参数变化规律与加工表面残留峰移除量的理论关系。方法针对M300钢高耐磨性的特点,通过对球头弹性磨具(油石)的微观接触分析,根据赫兹理论接触应力分布特点,数学推导得出在平面情况下残留峰移除率与影响磨削精度的主要参数的函数关系。结果根据磨削参数变化规律,考虑进给速度的变化,得出任一点的残留峰置的变化量为接触半径减去球头在一定位置下通过的距离,并推导出移除率Q=dh/dt=CPmατnα的预估参数值。根据最小二乘法算得当m=-3,n=-2时,C=1.55×105,移除面积与磨抛参数成正相关。结论通过磨削实验确定移除率待定参数值,从理论上确定影响磨削质量的法向压力和切应力对残留峰移除高度的影响,为曲面磨削弹性预估补偿研究提供参考。同时应适当减小弹性模量,增大法相压力及球头磨具半径,使得进给量增大,减小磨损,提高磨削效率。     

CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂

用热循环实验、扫描电镜观察焊点横截面和有限元模拟的方法研究了陶瓷球栅阵列封装（CBGA）结构中无铅焊点的组织和热疲劳行为．CBGA结构中,在焊料与铜焊盘和银焊盘的界面处分别形成了Cu6Sn5和Ag3Sn．在热循环过程中,铜焊盘处Cu6Sn5层增厚,并出现Cu3Sn;镀银陶瓷芯片一侧,Ag3Sn层也增厚,焊球中靠近界面处Ag3Sn的形态从条状向球状过渡．增加热循环周次,疲劳裂纹最先出现在芯片与焊球界面处焊球的边角位置上,有限元模拟表明此处具有最大的剪切应力．在印刷线路板处,裂纹沿Cu6Sn5和焊料的界面扩展;在陶瓷芯片处,裂纹沿Ag3Sn界面层附近的焊球内部扩展．     

Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层接触应力的数值模拟

接触应力状态是涂层材料表层破坏、整体分层剥落的重要影响因素。运用有限元软件ANSYS对Q235钢基体表面TiN/LZAS微晶玻璃梯度涂层在法向静载下的接触应力进行了分析,建立了该复合涂层的有限元分析模型,通过比较有限元数值解和Hertz理论解,验证了有限元模型的可靠性,探讨了不同层数和层厚对涂层体系接触应力分布的影响。结果表明:涂层的径向接触应力和Mises应力的最大值均位于接触区域中心处,最大剪切应力位于接触中心附近;涂层层数和厚度对涂层表面径向应力、界面剪切应力和整体Mises应力均有明显影响。模拟分析的结果可以为该复合材料的设计和制备提供一定的理论依据。     

8Cr4Mo4V材料钢球滚动接触疲劳试验研究

为了评价当前工艺水平航空主轴承用8Cr4Mo4V材料钢球滚动接触疲劳性能,以9.525 mm直径的8Cr4Mo4V材料钢球为研究载体,采用五球疲劳试验机开展不同应力水平下接触疲劳试验,对试验失效钢球通过失效模式与失效断口演变形式分析,确定试验数据有效性,同时提出简单程序数据处理方法对试验数据进行分析,获得不同失效概率下的钢球疲劳寿命并形成P-N疲劳曲线。结果表明:当前工艺水平航空主轴承用8Cr4Mo4V材料钢球滚动接触疲劳寿命是国外1992年试验国外材料钢球疲劳寿命的3倍以上;通过对9.525 mm直径8Cr4Mo4V材料钢球疲劳试验数据分析,求解出应力寿命函数的待定系数,可预测出不同应力水平下的接触疲劳寿命。     

Simulation of shear banding and crack propagation in bulk metallic glass matrix composites

Different modes of shear banding in bulk metallic glass (BMG) matrix composites are identified from the systematic simulation studies based on a mesoscopic phase-field model for deformation in glassy alloys. We characterize the interaction between shear band and crystalline reinforcements by considering the residual stress and atomic bonding condition at the interface between BMG-matrix and the reinforcement. The simulation demonstrates that compressive residual stress assists to impede the shear bands propagating toward the reinforcements, while tensile residual stress accelerates such process. In addition, the effect of atomic bonding at the interface on shear banding is investigated by the simulation. The relations between the fracture toughness and the residual stress and atomic bonding condition at the interface are quantitatively determined.     

基于MATLAB GUI的角接触球轴承接触疲劳寿命计算系统设计

滚动轴承是机器中广泛应用的零件之一,依靠滚动体和滚道间的滚动接触来支承转动零件,轴承的使用寿命是轴承质量的重要衡量指标。针对滚动轴承失效形式主要是疲劳点蚀,往往采用接触疲劳寿命来反映轴承寿命,它综合考虑了轴承材料、接触特性等因素,更符合实际工况。采用MATLAB GUI软件平台完成角接触球轴承接触疲劳寿命计算系统设计,该系统使用方便,只需输入相关参数,便可计算出接触疲劳寿命、最大接触载荷和最大接触应力等参数,结果可在系统界面显示或输出txt文件和excel表格。该系统大大缩短了轴承寿命计算周期,提高轴承设计效率和精度。通过多次工程设计验证,该系统高效可靠,为工程设计中其他复杂计算系统的开发提供了参考。     

数控机床滚珠丝杠副的法向截形对其传动效率的影响研究

为使丝杠获得高效稳定的传动效率,提出以勒洛多边形为法向截形设计滚珠丝杠副,并给出勒洛多边形的做法。分别将勒洛三、四、五边形作为滚珠丝杠法向槽形,在相同工况下对比丝杠传动效率。结果表明：勒洛多边槽形边数越多,丝杠传动效率越高,以勒洛五边形为丝杠法向截形最为合理。对比以勒洛五边形、普通槽形为法向截形的滚珠丝杠与梯形丝杠的传动效率。结果表明：以勒洛五边形为法向截形的丝杠传动效率最高,为98.4%,分别比普通滚珠丝杠、梯形丝杠高0.8%、20.6%,持续获得高效传动的能力较普通滚珠丝杠强;理论上,滚珠与滚道间接触角越小,丝杠传动效率越高;当量摩擦角的大小决定丝杠高效传动的稳定性,当量摩擦角越小,高效传动的稳定性越好,反之则越差。     

混合陶瓷球轴承振动特性仿真分析

为研究混合陶瓷角接触球轴承剥落故障振动特性,在ANSYS Workbench中建立了角接触球轴承的动力学有限元模型,通过在外圈滚道、内圈滚道及滚动体上设置剥落故障,分析特定工况下正常与剥落故障时轴承各零件受力变化。在此基础上,研究正常与不同零件故障对接触力的影响,并分析剥落故障对轴承零件运动特性的影响。结果表明：轴承各元件中应力最大的是滚动体,剥落故障使轴承最大应力增加,且最大应力大都出现在滚动体上;外圈剥落对经过剥落处的滚动体造成冲击,增大滚动体公转和自转周期,使滚动体速度降低,接触力明显增大;外圈剥落对内圈振动加速度的变化影响较小。