淬火残余应力对U75V钢材疲劳裂纹扩展影响的分析研究

摘要

由于疲劳断裂问题越来越受到重视，人们发现残余应力场的存在会对材料的疲劳裂纹扩展产生影响进而影响疲劳裂纹扩展寿命。对有残余应力场的疲劳裂纹扩展寿命的计算，人们也一直在探讨中。
　　本文基于有限元软件abaqus和断裂力学理论，对U75V钢的三维CT试样，采用弹塑性位移外推法求解不同裂纹长度下疲劳载荷最大值和最小值的应力强度因子以及相应的幅值，并和理论公式解进行对比。计算结果表明，在疲劳裂纹扩展阶段的中、后期，当考虑小范围屈服时，按弹塑性位移外推法求解应力强度因子及幅值用于疲劳裂纹扩展速率和疲劳剩余寿命计算更偏于安全。
　　对U75V钢的三维CT试样，计算得到空冷和气冷状态下表面综合换热系数，由换热系数计算了三维CT试样空冷和气冷残余应力场。计算结果表明，裂纹尖端区域出现应力集中现象。在纵向对称面位置裂纹尖端处沿着裂纹扩展方向的区域内随着长度增加y先为压应力然后逐渐减小直到演变为残余拉应力，并且残余拉应力随着长度增加呈现减小趋势。
　　通过弹塑性位移外推法求解了空冷和气冷状态下的应力强度因子，并对三种状态下CT试样的应力强度因子以及幅值做对比。结果表明，三种状态下的应力强度因子有差别但是并不是很大，随裂纹长度的增加KImax、KImin和ΔK逐渐增大。不同的裂纹长度下空冷状态下的ΔK几乎为最小，气冷状态下的应力强度因子最大，而未淬火处理的应力强度因子随着裂纹长度增加开始和空冷状态接近，然后逐渐与气冷状态接近。
　　由疲劳裂纹扩展实验测出的三维CT试样a-N曲线，采用割线法和Paris公式拟合出空冷和气冷下CT试样的c和n。对比分析了三种状态下CT试样的疲劳裂纹扩展速率。计算结果表明，空冷和气冷状态下残余应力场对U75V钢疲劳裂纹扩展速率影响并不是很大，其影响最大的是材料常数c和n值的改变。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

2 断裂力学疲劳裂纹扩展理论

2.1 线弹性疲劳裂纹扩展

2.2 小范围屈服

2.3 应力强度因子的求解

3 三维CT试样的应力强度因子求解

3.1几何模型与有限元网格划分

3.2 弹性位移外推法对CT试样应力强度因子的求解

3.3 弹塑性位移外推法对CT试样应力强度因子的求解

3.4 理论公式对CT试样应力强度因子的求解

3.5 三种计算方法的对比分析

3.6 本章小结

4 三维CT试样残余应力场的数值模拟

4.1 概述

4.2 材料属性

4.3 几何模型的设定

4.4 表面综合换热系数的确定

4.5 三维CT试样残余应力场的计算

4.6 本章小结

5 淬火残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

5.1 有残余应力场的不同裂纹长度下应力强度因子的求解

5.2 疲劳裂纹扩展速率

5.3 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢