新型貝氏體鋼在磨損載荷作用下協(xié)同疲勞壽命的初步研究.pdf

1、本課題是對低碳低合金GDL-1鋼在磨損和疲勞載荷共同作用下的疲勞壽命進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析計(jì)算。通過自行研發(fā)設(shè)計(jì)制造的磨損裝置來研究磨損條件對試樣循環(huán)疲勞壽命的影響，試圖真實(shí)模擬實(shí)際構(gòu)件在磨損載荷作用下，小裂紋在表層和次表層累積損傷、擴(kuò)展直到最后斷裂的演化全過程。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)研究獲得磨損載荷條件下的疲勞壽命變化初步規(guī)律，為構(gòu)件在磨損載荷條件下的疲勞壽命預(yù)測和構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 文中從螺紋釬桿在實(shí)際工況下發(fā)生破壞中觀察到：在

2、巖礦石的劇烈磨損以及高壓水流(或壓氣)沖刷和礦坑水的腐蝕條件下，釬桿還同時(shí)承受著拉、壓、彎、扭和鑿巖機(jī)的高頻沖擊載荷作用。釬桿的旋轉(zhuǎn)鑿巖過程會與巖石產(chǎn)生摩擦磨損、特別是螺紋連接部分表層會產(chǎn)較大的磨損，對釬桿疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。認(rèn)為在這種服役條件下的疲勞壽命是多載荷共同控制的疲勞壽命。這使我們對疲勞裂紋在表層萌生、擴(kuò)展直至斷裂的機(jī)理有新的理解。提出材料在多種載荷共同作用下，表面會形成一層較薄的干擾層(在本文實(shí)驗(yàn)中的干擾層由磨損層+形變層

3、組成)。干擾層的形成強(qiáng)烈地影響了表層裂紋的萌生及擴(kuò)展機(jī)制。而干擾層形成速率(Vm+Vx)(其中Vm表示磨損層的磨損速率，Vx則表示形變層形成的速率)與表層小裂紋中主裂紋擴(kuò)展速率da/dN競爭機(jī)制，決定了材料的疲勞壽命。此時(shí)的疲勞壽命并非材料的本征疲勞壽命(只有單獨(dú)疲勞載荷作用下的疲勞壽命)，而是協(xié)同疲勞壽命。 協(xié)同疲勞壽命是指：材料或構(gòu)件在除疲勞載荷以外的一種或多種其它載荷共同作用下的疲勞壽命。文中將所產(chǎn)生協(xié)同疲勞壽命的效應(yīng)分兩

4、種情況：正協(xié)同疲勞效應(yīng)和負(fù)協(xié)同疲勞效應(yīng)。此外，論文還闡述了磨損速率Vm和形變層形成速率Vx兩者之間的相互關(guān)系，以及兩者決定的干擾層形成速率(Vm+Vx)對小裂紋中主裂紋擴(kuò)展速率da/dN的影響，并進(jìn)一步探討磨損速率Vm和形變層形成速率Vx與協(xié)同疲勞強(qiáng)度的關(guān)系。另外，SEM觀察到了縱剖面小裂紋從萌生到逐漸長大的演化過程，在對裂紋形態(tài)觀察后，分析了試樣破壞前的各種損傷情況：從單個(gè)小裂紋、多個(gè)單獨(dú)小裂紋、小裂紋的三角沿晶形態(tài)、單個(gè)晶粒沿晶開裂

5、、多晶粒晶界同時(shí)沿晶開裂、穿晶波動型疲勞小裂紋、多段直線型穿晶疲勞小裂紋等不同形態(tài)最終擴(kuò)展成為破壞性宏觀裂紋。對從小裂紋向宏觀裂紋的轉(zhuǎn)變時(shí)間、轉(zhuǎn)變方式及所受干擾層中形變層應(yīng)力分布等因素的影響分析后得出：磨損載荷產(chǎn)生的干擾層對構(gòu)件的疲勞壽命有強(qiáng)烈的影響作用。在控制好磨損層厚度(以GDL-1鋼為例，在空冷回火狀態(tài)下滲層為0.6mm時(shí)，磨損層控制在0.12mm以內(nèi)，形變層厚度在0.1mm左右)的條件下，會使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度提高25MPa左右，也