表面納米化后不銹鋼的拉扭疲勞行為研究.pdf

1、疲勞是一種非常普遍的現(xiàn)象，在航空、機(jī)械和土木等領(lǐng)域，疲勞斷裂均是發(fā)生嚴(yán)重事故的重要原因之一。金屬材料在使用過程中的疲勞裂紋大多始于表面，很多工程應(yīng)用只需要改善金屬材料的表面性能，就可以提高其整體綜合服役性能和使用壽命。因此，具有納米結(jié)構(gòu)表層和粗晶粒芯層的材料，由于其高的屈服強(qiáng)度、硬度以及耐磨損性能，受到了極大的關(guān)注，這也就促進(jìn)了表面納米化技術(shù)的快速發(fā)展。利用表面納米化技術(shù)對傳統(tǒng)工程材料進(jìn)行改良，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文以不銹

2、鋼304作為實(shí)驗(yàn)材料，利用未表面處理的試樣以及表面機(jī)械研磨納米化技術(shù)處理的試樣，開展拉伸、扭轉(zhuǎn)和拉扭復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究表明，表面納米化可以有效地提高材料的拉伸、扭轉(zhuǎn)和拉扭復(fù)合疲勞壽命。不同的表面機(jī)械研磨處理工藝對其疲勞壽命的提高有著不同的效果。不銹鋼304在機(jī)械研磨納米化過程中經(jīng)過3mm直徑小球處理后，其拉伸疲勞壽命在高應(yīng)力區(qū)域提高效果低于2mm直徑小球處理，而在低應(yīng)力區(qū)域的提高效果高于2mm直徑小球處理;經(jīng)過3mm直徑小球處理后，

3、其扭轉(zhuǎn)疲勞壽命在整個(gè)應(yīng)力區(qū)域的提高效果均高于2mm直徑小球處理;對于拉扭復(fù)合疲勞測試，隨著軸向應(yīng)力幅值的增加，經(jīng)過3mm直徑小球處理后的不銹鋼304，其拉扭復(fù)合疲勞壽命在整個(gè)應(yīng)力區(qū)域的提高效果均高于2mm直徑小球處理。
　　本文又從數(shù)值仿真的角度，將內(nèi)聚力有限元法和蒙特卡羅隨機(jī)分布有效地結(jié)合起來，分別研究了材料在拉伸和扭轉(zhuǎn)疲勞載荷下裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。數(shù)值研究結(jié)果表明，依據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)構(gòu)型，和均勻材料模型相比，空間隨機(jī)分布的材料模

4、型可以更加合理地預(yù)測材料的破壞模式和疲勞壽命。通過拉伸疲勞數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，表面納米層可以極大地提高材料的疲勞壽命;隨著納米層厚度的增加，材料的拉伸疲勞壽命呈現(xiàn)出降低趨勢，尤其是在低應(yīng)力區(qū)域。通過扭轉(zhuǎn)疲勞數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，納米層對于材料疲勞壽命的提高有著顯著的效果，納米層的流應(yīng)力可以用來區(qū)分實(shí)驗(yàn)過程中使用不同處理工藝對疲勞壽命的影響;隨著納米層厚度的增加，材料在高應(yīng)力下的疲勞壽命明顯增加;當(dāng)納米層的厚度達(dá)到60μm時(shí)，有很大的概率使得疲勞裂紋的