42CrMo鋼疲勞可靠性分析與裂紋萌生微觀機理研究.pdf

1、隨著機械設(shè)備向高速大型化發(fā)展，合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展越來越注重提高合金鋼 使用的可靠性。傳統(tǒng)的以安全系數(shù)保障強度儲備的確定性機械結(jié)構(gòu)強度設(shè)計方法，正逐步向可靠性設(shè)計方法演進，從而為疲勞設(shè)計提供精確、可靠的資料。 在強度設(shè)計方法重大變革的背景下，以山東省自然科學基金項目[Y2002F19] 為依托，進行了疲勞數(shù)據(jù)的參數(shù)估計、假設(shè)檢驗，疲勞壽命和性能的高可靠度預(yù) 測模型等基礎(chǔ)性研究工作，探討了裂紋萌生微觀機理對疲勞隨機性的影

2、響。完成 了42CrMo硬齒面齒輪輪齒應(yīng)力疲勞試驗、42CrMo材料的應(yīng)變疲勞試驗和疲勞短 裂紋顯微疲勞試驗，應(yīng)用建立的模型和方法對試驗結(jié)果進行了分析。 首先，進行了疲勞概型參數(shù)估計、假設(shè)檢驗和概型綜合評價研究，深入探尋疲勞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律。疲勞可靠性常用概型一般包括正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、指數(shù)、兩參數(shù)Weibull、三參數(shù)Weibull分布函數(shù)，為評價各概型的適用性，給出了各概型的線性回歸方程。由于應(yīng)用現(xiàn)有的圖形法和解析法進行

3、三參數(shù)Weibull概型估計時，經(jīng)常難以得到優(yōu)良擬合結(jié)果，故提出了新的疲勞概型二項式系數(shù)擬合的參數(shù)估計方法，此法將圖形法估計得到的疲勞參量代入概型，并以牛頓二項式展開求得點估計值。通過引入非參數(shù)統(tǒng)計的D<,n>-檢驗法，發(fā)展了廣泛適用于各常用疲勞可靠性概型的假設(shè)檢驗方法。提出了疲勞概型的綜合效果評價公式，對通過檢驗的各級載荷下疲勞試驗數(shù)據(jù)進行總體擬合效果評價，以選擇最優(yōu)的疲勞數(shù)據(jù)描述概型。 其次，建立了疲勞壽命可靠性和疲勞性

4、能可靠性通用模型，進行高可靠度疲勞參量推斷?，F(xiàn)有疲勞壽命可靠性模型，尤其是應(yīng)變疲勞壽命可靠性模型僅限于疲勞隨機變量服從對數(shù)正態(tài)分布，為克服這一問題，提出了適用于各常用概型的應(yīng)力、應(yīng)變疲勞壽命可靠性分析通用模型。通過對正態(tài)分布、Weibull分布等5種常用概型函數(shù)的中值疲勞壽命和高可靠度疲勞壽命關(guān)系的分析，確定了通用模型的具體形式。指出疲勞壽命服從各常用分布的可靠性公式都可看作通用公式的特例，其中應(yīng)變疲勞壽命服從對數(shù)正態(tài)分布時的可靠性公式

5、與應(yīng)變疲勞可靠性分析常用公式是一致的。為了考察材料應(yīng)變疲勞性能隨機性的統(tǒng)計規(guī)律，提出了應(yīng)變疲勞循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可靠性分析通用模型?；诟判头植己瘮?shù)的矩法理論，提出了適用于各概型分布的疲勞可靠性曲線分析方法。以前人所做的40Cr齒輪輪齒應(yīng)力疲勞壽命數(shù)據(jù)初步驗證了文中疲勞統(tǒng)計模型和方法的有效性。 第三，完成了42CrMo硬齒面齒輪輪齒彎曲疲勞強度試驗和42CrMo材料的應(yīng)變疲勞試驗，應(yīng)用疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型和疲勞可靠性分析模型對疲勞

6、試驗數(shù)據(jù)進行了分析。進行了4級應(yīng)力幅值控制的齒輪輪齒彎曲疲勞強度成組試驗，獲得各應(yīng)力幅下的齒輪輪齒疲勞壽命數(shù)據(jù)。完成了6級總應(yīng)變幅控制的42CrMo鋼應(yīng)變疲勞試驗，得到各應(yīng)變幅下的應(yīng)力幅值。試驗結(jié)果表明，即使經(jīng)嚴格地取樣、熱處理和機械加工，42CrMo合金鋼的疲勞壽命和性能仍表現(xiàn)出很大的分散性。根據(jù)提出的疲勞概型參數(shù)估計、假設(shè)檢驗和概型綜合評價方法，進行了42CrMo合金鋼應(yīng)力疲勞壽命和應(yīng)變疲勞循環(huán)應(yīng)力幅的最佳概型分析。結(jié)果表明，描述4

7、2CrMo硬齒面齒輪輪齒疲勞壽命的最佳概型為三參數(shù)Weibull分布；描述42CrMo合金鋼應(yīng)變疲勞循環(huán)應(yīng)力幅的最佳概型為對數(shù)正態(tài)分布。應(yīng)用隨機應(yīng)力疲勞壽命與應(yīng)變疲勞循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可靠性分析模型，獲得了42CrMo合金鋼的中值及高可靠度的疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可靠性公式。 第四，完成了42CrMo合金鋼顯微拉伸疲勞試驗，討論了42CrMo鋼裂紋萌生微觀機理。在細觀尺度上動態(tài)觀察了試樣表面疲勞短裂紋萌生擴展演化過程，觀察結(jié)果

8、表明，疲勞短裂紋演化具有萌生隨機性以及萌生擴展的局域性特點，局域主導裂紋可自身擴展或與其它短裂紋匯合擴展，總體上裂紋擴展速率具有先加速后減速的特點。 最后，建立了基于病毒特征的疲勞短裂紋演化模擬模型，并進行了42CrMo疲勞短裂紋演化過程模擬，裂紋擴展速率模擬結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好。研究了病毒微觀形態(tài)與疲勞短裂紋微觀形態(tài)、病毒侵染細胞與裂紋演化行為、病毒遺傳變異與裂紋擴展匯合、病毒免疫能力差異性與裂紋局域性之間具有的相似性，證明