[表面强化及损伤机理]硌伤形貌对车轮材料滚动接触疲劳特性的影响

采用重力摆锤在车轮试样表面冲击出不同形貌的硌伤坑,基于改进后的MMS-2A 型微机控制摩擦磨损试验平台,研究了未硌伤车轮以及两种硌伤形貌车轮的滚动接触疲劳特性。结合ABAQUS仿真分析的车轮硌伤后残余应力分布情况,探讨了硌伤坑附近裂纹的萌生及扩展机制。结果表明：与未硌伤车轮相比,车轮硌伤处次表层材料沿踏面垂直方向上出现的残余拉应力有助于促进裂纹的萌生和扩展。相同冲击能下,球形硌伤坑附近裂纹长度和角度均大于道砟形硌伤坑附近裂纹长度和角度。球形硌伤坑边缘次表层裂纹的裂纹面较宽,并沿着45°的扩展角度向内部扩展。     

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为,分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明:在60~300km/h速度范围内,车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低;初期硌伤可能存在的边缘"堆起"能大大增加接触应力的水平,或可导致滚动接触疲劳的萌生;对于具有尖锐边缘的硌伤,弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限,即可发生持续的塑性变形,易于萌生疲劳;相对而言,对于具有钝边缘的硌伤,相应的接触应力水平要低得多,车轮偏于安全。     

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。     

镜像铣和化学铣切对2A12铝合金表面完整性与疲劳行为的影响

对比研究了金刚石刀具和硬质合金刀具镜像铣，以及化学铣切2A12-T4铝合金试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力、硬度和疲劳性能。结果表明：镜像铣等厚度平板试样(一面硬质合金刀具加工，一面金刚石刀具加工)的细节疲劳额定强度比化学铣切试样提高了4.27%,而金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度则提高了22.46%;金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化学铣切试样更高的疲劳抗力。金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了残余压应力，提高了表面硬度，降低了表面粗糙度，并未使表层组织受到破坏，因此裂纹萌生和扩展阻力提高。化学铣切试样表面存在的点蚀坑、晶间腐蚀缺陷及残余拉应力，以及硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力均促进了裂纹的萌生。     

激光冲击对金属板料裂纹的影响模型

研究了含有裂纹的金属板料在激光冲击波载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展速度的变化,利用断裂力学理论,对激光冲击加载下裂尖参数计算模型进行优化,采用应力强度因子叠加法,将外加载荷引起的应力强度因子和激光冲击后残留的残余压应力引起的应力强度因子叠加,推导出下裂纹尖端应力场强度因子表达式,由此可精确计算出金属板料的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速度,实验验证了航空钛合金Ti6Al4V激光冲击后残余应力对裂纹扩展速度的影响,从而建立了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响的理论模型。     

论渗碳钢中残余压应力的作用

本文研究结果表明,渗碳钢淬火形成的残余压应力对提高疲劳强度、多次冲击抗力、疲劳断裂韧性、宏观疲劳裂纹萌生与扩展寿命,降低疲劳缺口敏感性,和疲劳载荷抑制脆性等均起着主要的作用。表层材料强度或硬度与残余应力的相关性在于高的表层材料强度或硬度能减小残余应力的衰减,有助于发挥残余应力对疲劳性能的有利作用。长期以来对渗碳钢中微观组织和残余压应力作用的含混看法得到了澄清。     

焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展的影响

通过疲劳试验,研究焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展性能的影响,以及残余应力的再分配。试验结果表明,垂直于裂纹方向的纵向残余应力促进孔边疲劳裂纹的萌生和扩展;残余应力随焊缝金属的应变松弛而降低,它对疲劳裂纹扩展速率的影响相应减小;残余应力场中疲劳裂纹扩展速率仍可以用Ｐａｒｉｓ ／公式计算。     

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。     

低温下高速车轮材料滚动磨损与疲劳损伤行为

利用低温环境轮轨磨损模拟试验装置,研究了高速铁路车轮材料在室温及低温环境下的滚动接触疲劳损伤行为。结果表明：低湿度的低温环境导致车轮材料磨损率、塑性变形及疲劳损伤较室温下明显加重。随试验温度的降低,轮轨摩擦因数、磨损率及表面硬度均呈现先急剧上升后轻微下降趋势。室温工况下磨痕表面有严重的犁沟现象,而低温工况下车轮试样表面以疲劳裂纹及剥落损伤为主。随着温度的降低,磨损形式由氧化磨损、磨粒磨损逐渐向疲劳及粘着磨损转变。车轮材料裂纹主要沿较软的铁素体线扩展,室温下剖面损伤较轻微。低温工况下由于车轮材料发生脆化,珠光体呈现不同于室温下的形貌及分布特性。在低温下,表层裂纹扩展角度及次表层裂纹长度增加,同时表层裂纹易于汇合并产生分支。     

表面形变强化层中裂纹的萌生与扩展

研究了缺口根部强化层中疲劳裂纹的萌生与扩展。结果表明疫劳性能的提高主要归因于喷丸引起的缺口根部残余压应力,其能提高裂纹的闭合力,延缓短裂纹的扩展速率,而对萌生的作用极微。工作应力低时可出现非扩展裂纹。在残余压应力场中长裂纹的扩展可用Newman改进模型进行计算。在残余压应力峰值位置出现最大闭合力和最小裂纹扩展速率,计算和实测值基本一致。     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

风电齿轮箱轴承内部疲劳裂纹萌生与扩展方向研究

针对风电齿轮箱轴承疲劳裂纹萌生方向的问题,通过理论研究,认为裂纹萌生的方向取决于萌生局部位置最大切应力幅所在平面方向。经计算发现,轴承滚道内部浅层位置正交切应力幅大于主切应力幅,较深位置主切应力幅大于正交切应力幅;裂纹萌生角度随萌生深度不同而变化。针对裂纹扩展问题,利用断裂力学裂纹尖端极坐标应力叠加的方法,明确了Hertz接触应力、残余应力、装配过盈压力等对裂纹扩展方向的影响,通过分析不同热处理金相组织的轴承失效案例,验证了理论的适用性。     

高超载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响

采用Q345钢制作成紧凑拉伸试样,并在裂纹萌生后进行超载.通过疲劳裂纹扩展试验,研究高超载比超载对疲劳裂纹扩展速率的影响,分析其延寿机理.研究发现:较高的超载比使试样引入了残余压应力,使得有效应力强度因子降低至应力强度因子门槛值附近.可以降低疲劳裂纹扩展速率,抑制裂纹扩展,延长试样的疲劳寿命,通过此方法提高了含裂纹结构的使用寿命.     

考虑车轮材料空洞的高速轮轨接触应力分析

针对高速车辆车轮材料的空洞现象,利用弹塑性有限元方法,建立了车轮材料含有空洞的轮轨接触三维数值模型。模型中采用了非线性的车轮材料本构关系,计算分析了空洞大小、位置和轮重对车轮材料应力应变分布的影响。计算结果表明:轮轨接触作用下,空洞附近车轮材料易出现塑性变形和应力集中现象,且在160°和340°的空洞附近应力和应变值最大;在小于1 mm范围,空洞直径为0.1 mm时车轮材料最易萌生裂纹;当空洞离踏面距离小于15 mm,空洞离踏面距离对车轮疲劳萌生影响明显;随着轮重增加,其空洞附近车轮材料应力应变会随着增大。     

焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响

点焊接头因高度应力集中,极易于熔核边缘萌生疲劳裂纹,点焊产生的残余应力会影响其扩展。为探究点焊残余应力对疲劳裂纹扩展的影响规律,建立DP600高强钢点焊接头三维裂纹有限元仿真模型。基于热-弹塑性理论求解点焊残余应力场,在此基础上计算有无残余应力时折线裂纹的局部应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF)解,通过分析两种条件下裂纹最深点局部SIF随裂纹深度比变化的曲线,研究点焊残余应力对折线裂纹扩展的影响规律;基于断裂力学理论,采用改进的双参数模型预测有无残余应力时的疲劳寿命。结果表明,点焊残余应力使局部SIF显著提高,且随着裂纹深度比的增加,残余应力对其的影响程度也增加;考虑残余应力后裂纹整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,疲劳寿命由35 616次下降至12 564次。     

焊接接头的疲劳寿命评估问题

根据前人的试验和研究成果，定义焊趾处的工程检测到的表面裂纹长度为0.5mm．此前对应的循环次数为工程萌生寿命。给出了基于修正的Neuber法。并考虑了焊接残余应力影响的工程裂纹萌生寿命和基于断裂力学的裂纹扩展寿命的计算方法。     

考虑次裂纹时U71Mn钢的主裂纹扩展行为

采用ANSYS有限元软件,结合疲劳与磨损耦合模型,模拟计算了10t轮重的车轮以全滑动方式滚过初始长度100μm、扩展角度30°的钢轨表面裂纹时裂纹的等效应力强度因子Keff,研究了钢轨疲劳与磨损的关系并分析了主、次裂纹扩展方向及出现次裂纹时主裂纹的扩展行为。结果表明:钢轨的破坏形式以疲劳损伤为主;当裂纹出现分叉之后,主裂纹尖端的应力集中会得到比较大的缓解,其等效应力强度因子下降较快;当裂纹扩展到长度大于1mm之后,在主裂纹扩展过程中均伴随着次裂纹的出现,且主裂纹扩展方向基本不变,扩展速率逐渐加快,而次裂纹的扩展速率和扩展方向都基本不变。     

S38C车轴表层梯度材料的疲劳裂纹扩展性能研究

为研究S38C车轴表层梯度材料的疲劳裂纹扩展性能,直接从现车车轴截取试样,保持实际车轴表层具有的显微组织、硬度及其残余应力呈梯度变化的情况,采用三点弯曲加载方法,检测疲劳裂纹在硬化层、过渡层和芯部基体的扩展性能.结果表明,随着表层裂纹长度的增加,疲劳裂纹扩展速率呈现先增加后减小最后增加的趋势.通过测量不同表层深度位置的...     

冷辗芯辊表层碳化物对疲劳裂纹源萌生的影响

对不同寿命的W6Mo5Cr4V2钢冷辗芯辊疲劳裂纹源区域的表层和次表层碳化物形态进行了比较和分析。研究了疲劳裂纹源的形成机理。结果表明,表层和次表层碳化物的形貌、分布和大小等因素直接影响着疲劳裂纹的萌生。在表层碳化物缺陷处萌生疲劳裂纹一般有两种方式:表层碳化物直接开裂和在碳化物脱落后的凹坑处形成微裂纹;在次表层碳化物处萌生疲劳裂纹则主要是由于其周围孔洞中的应力集中造成的。     

汽车变速箱齿轮疲劳裂纹萌生区域预测

以国产某轿车变速箱齿轮为例,对表面强化后齿根附近沿深度的残余应力和硬度的分布预测疲劳强度分布和疲劳裂纹萌生区域进行了详细的研究.变速箱齿轮经过表面强化后,通过齿根附近沿深度的残余应力、硬度分布以及强度和硬度之间的转换关系,得到了齿根附近沿深度的弯曲疲劳极限分布,齿根次表面下0.25mm～0.45mm之间的区域是疲劳危险区,疲劳裂纹萌生从此区域开始,并得到了微观的初步验证,为进一步研究齿轮弯曲疲劳断裂机制和齿轮表面强化工艺提供了理论参考依据.