缺口对轴类零件疲劳寿命的影响

摘要

实际工程中普遍存在于轴类零件上的缺口现象如台阶、键槽、孔等一直是疲劳断裂研究领域的重要问题之一。目前关于疲劳问题的深入研究及获得的疲劳寿命的预测模型多集中在单轴载荷情形，然而一方面工程实际中单轴载荷情形很少存在；另一方面即使在零件上只附加单轴载荷，但由于缺口几何形状等的影响，在缺口处应力状态非常复杂，仍以单轴考虑显然不够准确。考虑多轴载荷，对多轴疲劳问题进行系统深入的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　两轴载荷下疲劳问题的研究可为多轴疲劳问题的解决提供理论基础，也可为工业产品设计提供指导。本文主要研究了两轴载荷下的缺口因素对工件疲劳性能的影响，对45钢样品缺口轴进行了轴向载荷和扭转载荷下的疲劳实验测量和分析，揭示了缺口应力强度因子与疲劳寿命之间具有良好的相关性。论文的主要工作和结果如下：
　　1.局部能量积聚是裂纹萌生的重要原因之一。裂纹萌生是受剪切控制的、在持续滑移带上进行的。文中分析了疲劳裂纹萌生机理，发现裂纹多在持续滑移带处、材料缺陷处、晶间裂纹处和应力集中等处萌生。它们的本质都是局部能量积聚达到一定程度后出现的晶粒位移导致的。
　　2.轴向载荷和扭转载荷下疲劳寿命的机制有所不同。在EHF-EM100KN电液伺服疲劳试验机上，对薄壁管型和沙漏型实心样品进行了六种载荷情形下的疲劳试验(轴向载荷、扭转载荷、轴-扭同相载荷、两种轴-扭异相载荷、具有静拉伸的扭转载荷)。发现轴向载荷下,裂纹一旦萌生，则很快出现损毁，几乎没有第二阶段扩展，疲劳寿命主要由裂纹的萌生寿命决定；而扭转载荷下,在裂纹萌生之后仍有较长的裂纹扩展阶段，也就是扭转载荷下裂纹的萌生及扩展都是裂纹疲劳寿命的重要组成部分。
　　3.轴向载荷下缺口深度、缺口尖端半径和缺口张角对疲劳性能影响程度不尽相同。使用EHF-EM100KN电液伺服疲劳试验机，对光滑样品和缺口样品进行了正弦波加载的轴向疲劳试验，发现光滑样品比缺口样品疲劳性好，浅缺口样品比深缺口样品疲劳性好。进一步研究表明：缺口深度直接影响轴向载荷下工件的疲劳寿命n，在缺口深度和样件半径之比不大于0.3的范围内（即2a/D），随该比值增大，疲劳寿命极具缩短，当比值大于0.3时由于样件净截面积减小致使净应力增大较多，样件疲劳性能已经很差，这时比值对疲劳寿命影响已不再具有决定性；缺口尖端半径越小，轴向疲劳寿命越短；缺口张角在轴向载荷下对疲劳寿命几乎没有影响。
　　4.扭转载荷下旋转角度幅和应力强度因子与疲劳寿命间具有很好的相关性。使用EHF-EM100KN电液伺服疲劳试验机，对具有相同缺口张角，不同缺口深度的V缺口轴进行了正弦波加载的扭转疲劳试验。研究发现旋转角度幅的对数与载荷循环次数存在较好线性的相关性。另外扭转载荷下的应力强度因子也与疲劳性能具有线性相关性，应力强度因子越大，疲劳寿命越短。
　　5.两轴疲劳时疲劳寿命随缺口应力强度因子的增加而缩短。使用有限元软件对缺口尖端进行计算，发现缺口尖端邻近区域应力集中情况及应力分布随离缺口尖端距离的变化而改变，且两轴载荷下应力强度因子也与疲劳寿命具有很好的相关性：即缺口应力强度因子越大，疲劳寿命越小。相对来说轴向缺口应力强度因子对疲劳寿命的影响要比扭转时大。

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附 表 索 引

第1章 绪 论

1.1选题背景及研究的意义

1.2疲劳研究的进程

1.3国内外研究现状

1.4存在的问题及不足

1.5 本文研究的内容

第2章 疲劳裂纹萌生机理和疲劳寿命参数

2.1疲劳的机理

2.2 多轴疲劳寿命参数

2.3本章小结

第3章 两轴疲劳裂纹萌生及扩展机理

3.1试验准备及过程

3.2 两轴裂纹疲劳机理

3.3 裂纹的萌生及扩展机理

3.4 本章小结

第4章 轴向载荷下V缺口对疲劳行为的影响

4.1 试验准备及过程

4.2 试验结果的分析

4.3 V缺口角度对轴向疲劳寿命的影响

4.4 V缺口尖端半径对轴向疲劳寿命影响的结果及分析

4.5 本章小结

第5章 扭转载荷下V缺口对轴类零件疲劳行为的影响

5.1 试验准备及过程

5.2 V缺口张角对扭转疲劳行为影响

5.3 V缺口尖端半径对扭转疲劳行为的影响

5.4 V缺口深度对扭转疲劳行为影响

5.5 本章小结

第6章 两轴疲劳下的疲劳寿命预测

6.1 裂纹长度和深度与疲劳寿命的关系

6.2在剪切控制下的相对寿命消耗

6.3 特殊载荷情形（90°轴—扭异相载荷；λ=0.5）

6.4 缺口应力强度因子和疲劳寿命的关系

6.5缺口影响和载荷条件的关系

6.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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