夹杂物对轴承滚动接触应力场的影响分析

建立基于无限边界的含夹杂物滚动轴承赫兹接触有限元模型,分析夹杂物位置深度、夹杂物与基体材料的弹性模量比和不同类型夹杂物对轴承滚动接触应力分布的影响,分析脂润滑状态下夹杂物对滚动接触应力场的影响,探究了接触区摩擦因数对次表层应力场的影响。结果表明:夹杂物对应力场的影响随其位置深度的增加而减弱;软夹杂物产生的应力集中效应随其弹性模量增大而减小,硬夹杂物产生的应力集中效应随其弹性模量增大而增大;在其他参数相同时,具有不规则棱角边缘的AlN夹杂物对应力场的影响更明显;切向摩擦力导致最大Von Mises应力位置向零件表面偏移,当接触区摩擦因数增大到一定数值后,轴承中最先发生微观疲劳裂纹的位置从夹杂物附近转移到零件表面。     

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。     

考虑材料夹杂的接触问题数值分析

金属在冶炼过程中产生的非金属夹杂物以及裂纹等缺陷在交变载荷作用下产生应力集中,形成疲劳源,使部分材料与基体材料脱离产生裂纹,影响材料的疲劳寿命。基于半解析法(Semi-analytical method,SAM),将计算区域离散为若干个微立方体单元,每个夹杂可由不同数量的微立方体单元构成。根据等效夹杂方法(Equivalent inclusion method,EIM),每个单元夹杂均具有一个未知的等效特征应变,通过求解应力-应变本构方程组得到。接触压力通过共轭梯度法求解,进而得到表面残余变形和表层下应力分布等。采用二维和三维快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)算法快速求解变形、特征应力等变量。结果表明,算法稳定,收敛性好;材料夹杂对接触压力和表层应力分布有显著影响;处于接触表面附近的大尺寸夹杂对材料性能影响最大。基于本模型可模拟任意形状和分布的夹杂的影响。     

含夹杂物和疏松缺陷的车轮材料疲劳性能对比研究

通过超声波探伤确定缺陷在CL65车轮轮辋中的位置，取出了含有缺陷的毛坯试样，并加工成疲劳试样。在岛津电液伺服疲劳试验机上进行疲劳试验，获得含缺陷试样的疲劳寿命，并分析了缺陷的形状、尺寸与化学成分。结果表明，疏松缺陷的主要成分为MnS,夹杂物缺陷的主要成分为硬质氧化物，含疏松缺陷试样的疲劳寿命高于含夹杂物缺陷试样。结合镶嵌应力理论建立有限元模型，分析了两种缺陷对车轮材料疲劳性能影响的差异。与夹杂物缺陷相比，疏松缺陷和基体界面上的镶嵌应力显著降低，缺陷周围应力集中程度小。因此，含MnS疏松对车轮材料疲劳性能的危害程度明显小于氧化物夹杂。     

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。     

32Cr3MoVE渗氮轴承钢的高应力滚动接触疲劳性能

对采用双真空熔炼制备的32Cr3MoVE轴承钢进行表面渗氮处理,利用滚动接触疲劳试验机在4.5GPa高应力下研究其滚动接触疲劳性能,分析其滚动接触疲劳破坏机制。结果表明:试验钢的有效渗氮层深度为350μm,随距表面距离的增大,渗氮层残余压应力呈先增大后减小趋势,距表面300μm处的残余压应力最大,为610 MPa;渗氮层中存在沿晶界分布的白色脉状组织;利用双参数Weibull分布计算得到其滚动接触疲劳特征寿命、额定疲劳寿命、中值疲劳寿命分别为3.040×10~8,0.357×10~8,2.083×10~8周次;试验钢的滚动接触疲劳破坏模式包括表面起裂和次表面起裂两种,表面起裂试样剥落坑的平均直径及深度均明显大于次表面起裂试样的;表面起裂试样沿表面点蚀坑或划痕处起裂,次表面起裂试样在长时间循环接触应力作用下,次表面材料性能退化,导致裂纹萌生。     

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。     

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。     

HRB500高强钢筋拉压疲劳性能研究及断口分析

通过轴向拉压疲劳试验得到HRB500钢筋在应力比R=0.1时107周次的疲劳强度σ0.1=587.5 MPa,远高于一般碳素结构钢的疲劳强度;再利用三参数幂函数法非线性回归得到S-N曲线方程为lg(Nf)=7.092-1.144 7lg(σmax-586.3);并研究发现直径大小对钢筋的疲劳强度基本没影响,疲劳强度主要与材料的成分、组织及夹杂物有关。还利用扫描电镜与能谱仪分析试样的疲劳断口,得到HRB500钢筋的疲劳破坏均属于表面基体起裂,与钢中脆性夹杂物有关;疲劳裂纹呈放射状在基体中扩展,呈现比较明显的片层状结构,以准解理裂纹扩展为主;瞬断区呈韧性断裂,出现大量韧窝状组织,主要由于夹杂物引起微孔聚集断裂。     

非金属夹杂物对滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的影响

为提高机械设备结构部件的疲劳寿命,研究材料中非金属夹杂物对滚动接触疲劳的影响,综述了非金属夹杂物的类型、形状及尺度,分析了非金属夹杂物相对表面深度、应力集中与热膨胀系数对裂纹产生的影响。阐述了疲劳裂纹的扩展和疲劳失效,分别介绍了基于动态剪应力、Mises应力和裂纹尖端应力的裂纹扩展模型。介绍了疲劳剥落失效的有限元法和基于弹塑性力学的理论分析法,以及试验技术如磁场检测、超声波检测、声发射、X射线和辐射分层成像技术等,分析了这些方法的优缺点,最后,提出了需要进一步研究的问题,以期为滚动轴承的疲劳寿命预测与提高提供基础。     

高锰钢铁路辙叉表面龟裂剥落机理分析

高锰钢铁路辙叉在使用过程中因心轨表面龟裂剥落而提前失效,对其进行了扫描电镜观察和能谱仪测试分析。结果表明:断口中的夹杂物为Al2O3或[Al2O3].(CaO)x等;在表面裂纹的断口微观组织中有大量的致密疲劳辉纹和泥状腐蚀形貌,次表面裂纹断口也有疲劳辉纹,表明辙叉表面的剥落掉块为表面的腐蚀疲劳和次表面的接触疲劳所致。疲劳裂纹往往从氧化铝、氧化钙等颗粒状夹杂物或组织不均匀处萌生,表面裂纹与切应力成锐角向表层下扩展,次表面裂纹斜向表面扩展,当表面裂纹与次表面裂纹相互连接时,被裂纹包围的金属块即产生剥落,形成剥落坑。     

氮化硅轴承球滚动接触疲劳性能的研究现状

对氮化硅轴承球滚动接触疲劳的研究进行了综述,介绍了影响氮化硅轴承球滚动接触疲劳性能的主要因素,包括气孔、表面微裂纹、表面强度、残余应力、表面粗糙度和润滑条件等,以及介绍了疲劳剥落失效产生的机制,分析了目前研究所存在的问题,并对今后的发展方向进行了展望。     

轴承钢洁净度对轴承疲劳寿命的影响

介绍了轴承钢中氧含量及各种非金属夹杂物对接触疲劳寿命的影响。钢中含氧量及脆性夹杂物增多 ,疲劳寿命显著下降 ,硫化物的影响取决于其分布形态。附图 4幅。     

粗糙体变形特性对接触过程的应力与应变的影响

运用W-M函数生成分形粗糙表面,建立一个新的双粗糙体接触模型,采用有限元方法模拟仿真了在粗糙体不同变形特性条件下的接触过程,并分析了接触表面的应力分布及不同接触位置的塑性应变随深度的变化规律．结果表明双粗糙接触表面的应力主要集中在个别的较高微凸体上,其应力最大值出现在微凸体肩部区域的位置;等效塑性应变在不同位置沿深度的变化,呈现出不同的规律,微凸体顶部区域沿深度方向的最大等效塑性应变均发生在次表层,材料表层下的塑性应变将会导致材料表层中的夹杂或微观缺陷周围萌生微孔和裂纹源,对比不同变形特性的模型,得出弹塑性一刚体模型的最大应力及应变值都大于弹塑性一弹塑性模型。     

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。     

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。     

高碳贝氏体轴承钢滚动接触疲劳性能的研究

以GCr15Si1Mo贝氏体轴承钢为研究对象,在油润滑条件和无润滑条件下,对不同初始碳化物体积分数的试样进行滚动接触疲劳试验,采用扫描电镜观察试验前后试样的表面形貌和碳化物分布,并通过Weibull曲线确定试样滚动接触疲劳性能的优劣性。结果表明,在无润滑条件下,碳化物体积分数为1.9%的试样滚动接触疲劳性能优于碳化物体积分数为5.1%的试样。在油润滑条件下,贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳性能的优劣性依次为：无初始碳化物试样、碳化物体积分数为5.1%试样、碳化物体积分数为1.9%试样。碳化物作为基体的硬质相,很容易成为疲劳源,无初始碳化物的贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳性能优于有碳化物的贝氏体轴承钢;碳化物脱落后的凹坑增大了润滑油和试样表面的粘着力,有利于增加油膜厚度,从而提高滚动接触疲劳寿命。     

试样表面划痕对接触疲劳试验结果的影响

在金属材料接触疲劳试验中,常发生因表面划痕导致的早期疲劳失效,使试验结果产生偏离。采用TLP接触疲劳试验机,对GCr15轴承钢开展了表面划痕缺陷对接触疲劳寿命影响的试验研究。通过对各种划痕试样及表面无划痕正常试样的对比试验,证明了接触疲劳寿命随表面划痕的加深及划痕与滚动方向夹角的增大而下降。     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

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。