42CrMo鋼疲勞短裂紋演化行為及疲勞壽命預(yù)測的研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種機(jī)械產(chǎn)品或者工程設(shè)備逐漸向高溫、高壓、高速和大型化的方向發(fā)展，機(jī)械零件承受復(fù)雜的交變載荷，工作條件越來越惡劣，疲勞破壞事故層出不窮，給社會和生產(chǎn)造成了巨大的損失。42CrMo鋼是高強(qiáng)度合金鋼領(lǐng)域最為常用的材料，是高速機(jī)車和齒輪等關(guān)鍵零部件的重要材料。如果產(chǎn)生疲勞破壞，必然會造成不可估量的后果。 本研究以42CrMo作為主要研究材料，進(jìn)行了疲勞壽命的預(yù)測模型的研究，提出了三種有意義的疲勞壽命的預(yù)測模型，

2、完成了42CrMo鋼試樣疲勞短裂紋顯微疲勞試驗(yàn)以及疲勞斷口掃描電鏡試驗(yàn)，探討了裂紋萌生與擴(kuò)展的微觀機(jī)理，建立了材料細(xì)觀組織仿真模型以及疲勞短裂紋的演化模型，并與試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了比較。 ㈠對考慮平均應(yīng)力影響的疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行了分析和總結(jié)。根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，對照典型的常用函數(shù)的曲線進(jìn)行比較，確定以冪函數(shù)作為相應(yīng)參量，提出一種修正的Basquin數(shù)學(xué)模型。采用Box-Cox變量變換方法使原擬合變量的曲線關(guān)系變?yōu)樾聰M合變量

3、問的良好的線性關(guān)系，使得所構(gòu)建的模型預(yù)測精度得到提高，從而得到良好的殘差分布。提出一種基于變量變換修正的Basquin公式疲勞壽命預(yù)測模型，經(jīng)過擬合數(shù)據(jù)證明，Box-Cox變量變換法在疲勞壽命預(yù)測以及數(shù)據(jù)處理中具有極大的優(yōu)越性。疲勞損傷與疲勞過程中的能量的吸收和累積有密切的聯(lián)系。應(yīng)用能量法進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測能夠揭示疲勞損傷的本質(zhì)，具有較高的準(zhǔn)確性，并且物理意義比較明確?？倯?yīng)變能密度該理論首次將疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展階段用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表

4、達(dá)。同時(shí)將低循環(huán)、高循環(huán)疲勞理論框架統(tǒng)一起來，為疲勞損傷的預(yù)測以及載役檢測等提供了良好的理論支持。因此，提出一種考慮拉伸平均應(yīng)力以及應(yīng)力比的修正的總應(yīng)變能密度方法。預(yù)測的擬合曲線與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合良好。將有限元分析技術(shù)與基于變量變換修正的Basquin公式相結(jié)合，對漸開線直齒圓柱齒輪輪齒進(jìn)行了彎曲疲勞壽命預(yù)測，預(yù)測結(jié)果較為理想。 ㈡完成了42CrMo合金鋼顯微拉伸疲勞試驗(yàn),討論了42CrMo鋼裂紋萌生與擴(kuò)展的微觀機(jī)理。在細(xì)觀

5、尺度上動態(tài)觀察了試樣表面疲勞短裂紋萌生擴(kuò)展演化過程，觀察結(jié)果表明，疲勞短裂紋演化具有萌生隨機(jī)性以及萌生擴(kuò)展的局域性特點(diǎn)，主導(dǎo)裂紋可自身擴(kuò)展或與其它短裂紋匯合擴(kuò)展，總體上裂紋擴(kuò)展速率具有先加速后減速的特點(diǎn)。疲勞短裂紋主要萌生于試樣表面最薄弱的鐵素體與基體界面，少數(shù)萌生于晶界。第三，研究了42CrMo鋼疲勞短裂紋演化行為的統(tǒng)計(jì)特性，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為疲勞短裂紋的萌生壽命與應(yīng)力水平的比值可以由三參數(shù)威布爾累積概率分布函數(shù)表示。疲勞短裂紋的

6、擴(kuò)展壽命與應(yīng)力水平的比值可以由二參數(shù)威布爾累積分布函數(shù)表示。相同壽命分?jǐn)?shù)表面疲勞裂紋尺度可以由三參數(shù)威布爾累積概率分布函數(shù)表示。主導(dǎo)疲勞短裂紋尺度可以用三參數(shù)威布爾累積概率分布函數(shù)進(jìn)行描述。考察了多種不同的常用統(tǒng)計(jì)分布形式，壽命分?jǐn)?shù)比較符合兩段式威布爾概率分布。主導(dǎo)疲勞短裂紋的擴(kuò)展速率可以由三參數(shù)威布爾分布進(jìn)行描述。 ㈢提出一種細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)的CAMC算法模型，建立了一種綜合考慮短裂紋萌生、擴(kuò)展、合并以及干涉行為的疲勞短裂紋演化