1070钢滚动接触疲劳启裂、扩展机制及数值模拟研究

摘要

许多工程应用涉及滚动接触，如齿轮、滚动轴承以及轮轨的接触等。在滚动接触过程中，当接触载荷超过安定界限，接触表面将产生累积循环塑性变形。而这种变形会直接导致材料微观结构的改变进而使滚动部件疲劳启裂。铁路运输中轮轨滚动接触疲劳问题日益严重，不仅极大的增加了运营成本，也使行车安全面临更大的挑战。1070钢作为重要的铁路用钢，对其进行滚动接触疲劳启裂及扩展机理的研究及寿命预测具有重要的理论价值和现实的工程意义。 本文采用有限元方法结合循环塑性本构模型和多轴疲劳损伤准则模拟了1070钢滚动接触疲劳的启裂和扩展。分析了恒定工况及变载工况下，局部粘滑系数ξ、最大赫兹应力p0以及总切向力与法向压力之比Q/P对残余应力及残余剪应变的影响，对滚动接触疲劳启裂寿命、启裂位置以及启裂方向分别进行模拟预测。对接触表面斜裂纹及次表层水平埋藏裂纹的扩展方向进行了初步的预测和分析。 通过对多种不同工况预测结果的分析表明:随着局部粘滑系数的减小、最大赫兹应力和总切向力与总法向力之比的增大，滚动接触疲劳的启裂寿命均降低;随着局部粘滑系数的增大，滚动接触疲劳更容易在次表层启裂，而随着总切向力与总法向力之比的增大，启裂更容易发生在接触表面;随着局部粘滑系数的减小，启裂时裂纹与接触表面的夹角变小;对于主、从动轮，裂纹均沿着与其所受摩擦力相反的方向启裂;高-低型加载以及少量过载循环的加入都使启裂寿命有所提高，但过载对启裂位置和启裂方向的影响较小;裂纹扩展模拟计算结果中，裂尖累积损伤在两个方向出现较大值，表明裂纹容易出现分叉，但接触表面斜裂纹的主裂纹（累积损伤最大值方向）沿深层扩展，而次表层水平埋藏裂纹的主裂纹则朝接触表面扩展。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 滚动接触疲劳研究现状

1．2．1 滚动接触理论研究

1．2．2 滚动接触疲劳机理及模型研究

1．2．3 滚动接触疲劳试验研究

1．3 本文的研究内容及意义

第二章 滚动接触疲劳预测模型

2．1 滚动接触预测模型

2．1．1 局部粘滑线性滚动接触

2．1．2 有限单元模型

2．1．3 循环塑性模型

2．1．4 多轴损伤准则

2．1．5 疲劳启裂寿命

2．2 模型的可靠性论证

第三章 1070钢滚动接触疲劳启裂预测

3．1 模拟工况的选取

3．2 结果与讨论

3．2．1 应力应变迟滞环

3．2．2 x向残余应力

3．2．3 z向残余应力

3．2．4 残余剪应变

3．2．5 滚动接触疲劳启裂寿命

3．2．6 滚动接触疲劳启裂位置

3．2．7 滚动接触疲劳启裂方向

3．3 本章小结

第四章 变工况加载对滚动接触疲劳的影响

4．1 变幅加载对启裂寿命、启裂位置及扩展方向的影响

4．1．1 变局部粘滑系数加载

4．1．2 H-L型及L-H型加载

4．1．3 过载对RCF的影响

4．2 本章小结

第五章 1070钢滚动接触疲劳裂纹扩展

5．1 滚动接触疲劳裂纹扩展模型

5．2 模拟结果及讨论

5．2．1 接触表面斜裂纹扩展

5．2．2 次表层水平裂纹扩展

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文的主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果