Cr-Mn奥氏体不锈钢弯曲疲劳行为研究

摘要

Cr-Mn奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性、低磁化性、良好的综合力学性能等特点，被广泛地应用于交通、航空、电力等重要领域。但在复杂的循环工况下，材料仍不可避免地出现不同程度的疲劳损伤，最终导致材料的失效。由于材料在低载荷下的疲劳破坏不易察觉，常常造成严重的后果，对循环载荷下服役材料的疲劳行为研究显得尤为重要。
　　本文采用四点弯曲疲劳试验结合有限元方法，分析研究了一种 Cr-Mn奥氏体钢疲劳失效行为，确定了疲劳试样的应力及疲劳寿命的分布情况，进一步揭示不同应力水平下Cr-Mn奥氏体钢疲劳裂纹的萌生、扩展及疲劳断裂机理。
　　有限元模拟结果表明，试样尺寸不同，两加载辊之间的应力分布规律不同。通过对不同尺寸试样的模拟应力云图和实验设定应力值对比分析，确定了受力分布相对均匀的合理试样尺寸范围。选取合理尺寸试样进行疲劳寿命的模拟及实验研究，疲劳寿命模拟结果表明在两加载辊中间试样疲劳寿命最短，疲劳断裂易在此位置发生。
　　实验结果表明大多数裂纹在主滑移带{111}<110>萌生，尤其在粗大的晶粒中；裂纹的扩展方向基本垂直于主应力的方向，通常只有少量初始裂纹（1-2条）导致试样的最终失效；裂纹在晶界处发生偏转，可以有效的抑制大多数裂纹的扩展。进一步对比分析了模拟疲劳寿命与实验值及裂纹分布情况，模拟与实验两者一致性较好，可见有限元方法可以较准确的分析材料的应力状态和预测材料的疲劳寿命。
　　有限元方法的引入，为材料疲劳行为的研究和疲劳寿命的预估提供了一种实用有效的新方法。结合疲劳试验，探究 Cr-Mn奥氏体不锈钢的疲劳性能及疲劳破坏机理，可以为材料的工程服役提供重要的理论指导，降低疲劳破坏可能造成损失。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 奥氏体不锈钢的发展和应用

1.3 奥氏体不锈钢疲劳行为研究现状

1.4 金属疲劳行为的影响因素

1.5 本文的主要研究内容和意义

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料及其力学性能测试

2.2 疲劳试验试样的制备

2.3 试验方法

2.4 试验结果的分析

2.5 本章小结

第3章 疲劳试验模型的力学分析

3.1 有限元法及ABAQUS简介

3.2 四点弯曲疲劳试验模型的力学分析

3.3 有限元模型的建立

3.4 试样尺寸对应力分布的影响

3.5 辊子直径对应力分布的影响

3.6 本章小结

第4章 材料疲劳寿命的有限元模拟

4.1 FE-SAFE简介

4.2 材料疲劳参数的设定

4.3 疲劳载荷谱的定义

4.4 疲劳寿命分析

4.5 模拟值的S-N曲线

4.6 本章小结

第5章 疲劳试验结果与分析

5.1 S-N曲线

5.2 试样疲劳断裂位置的分析

5.3 应力对裂纹影响

5.4 裂纹微观形貌的分析

5.5 裂纹萌生位置及扩展方式的分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果

致谢