超声加载频率对GCr15钢超高周疲劳性能的影响

摘要

超声波振动加载实验是实现超高周疲劳实验研究的一种加速实验方法。然而对于钢铁材料，超声振动一方面可能带来“频率效应”，即，由于材料的位错运动速度远远小于超声波加载速度，材料的塑性变形响应滞后于加载速度，实际承受应力小于加载应力，导致实验获得的材料疲劳强度上升和寿命的延长；另一方面，超声振动使材料的内摩擦加剧，可能引起“温度效应”，即，疲劳实验过程中试样升温，造成试样的热损伤，导致疲劳寿命下降。
　　 高速铁路机车车辆的转向架构架及其零部件，航空航天机械、汽车、发动机、发电机及海洋结构、桥梁等在服役期内要承受109次以上的交变载荷，要保证这些设备和结构的长期安全使用，必须研究结构材料的超高周疲劳性能。因此，研究超声加载频率对结构材料超高周疲劳性能的影响，从而确定加速疲劳实验的妥当性十分必要。
　　 本论文对比研究了80Hz轴向疲劳加载和20kHz超声轴向疲劳加载的加载频率对GCr15轴承钢超高周疲劳性能的影响。对于超声疲劳实验，分别采用了压缩空气和水冷却试样，并采用连续和间歇加载方式，以比较超声振动引起的试样升温对疲劳性能的影响。断口观察表明，80Hz轴向加载试样，在全应力幅范围既发生表面破坏又发生由夹杂物引起的内部破坏；压缩空气冷却的连续加载超声试样，在全应力幅范围以夹杂物引起的内部破坏为主，当萌生裂纹的夹杂物距试样表面较深时，夹杂物周围伴有高温烧痕；水冷却的连续加载超声试样，在高应力幅区，发生不受水腐蚀影响的内部破坏；压缩空气冷却的间歇加载超声试样，在全应力幅范围均为夹杂物引起的内部破坏。实验结果及分析表明，超声加载频率提高了试样的寿命，超声振动引起的高温降低了试样的寿命。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1早期疲劳研究的历史

1.2近期超高周疲劳研究的提出

1.3超高周疲劳研究的现状

1.3.1常规频率加载的研究现状

1.3.2超声频率加载的研究现状

1.3.3当前超声疲劳研究面临的课题

1.4本论文的主要工作

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3研究意义

1.5论文的结构和技术路线

1.6创新点

第2章 GCr15钢常规频率轴向加载的疲劳性能研究

2.1常规轴向加载疲劳实验

2.2实验结果与分析

2.2.1疲劳S-N数据与分析

2.2.2断口的观察与分析

2.2.3裂纹萌生及扩展尺寸的测定

2.2.4应力强度因子

2.3小结

第3章 GCr15钢超声频率连续式轴向加载的疲劳性能研究

3.1超声轴向连续式加载疲劳实验

3.2实验结果与分析

3.2.1疲劳S-N数据与分析

3.2.2断口的观察与分析

3.2.3裂纹萌生及扩展尺寸的测定

3.2.4空冷条件下夹杂物深度与烧痕的关系

3.3.5应力强度因子

3.3小结

第4章 GCr15钢超声频率间歇式轴向加载的疲劳性能研究

4.1超声轴向间歇式加载疲劳实验

4.2实验结果与分析

4.2.1疲劳S-N数据与分析

4.2.2断口的观察与分析

4.2.3裂纹萌生及扩展尺寸的测定

4.2.4应力强度因子

4.3小结

第5章 GCr15钢超高周加速疲劳实验方法的可行性研究

5.1疲劳S-N数据的比较

5.1.1常规、间歇空冷的比较

5.1.2连续空冷、连续水冷、间歇空冷的比较

5.1.3常规、连续空冷、连续水冷的比较

5.2应力强度因子的比较

5.2.1常规、间歇空冷的比较

5.2.2连续空冷、间歇空冷的比较

5.2.3常规、连续空冷的比较

5.3小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文