中碳钢接触形式对微动疲劳的影响研究

摘要

微动疲劳现象在机械行业，特别是核工业和航空工业领域大量存在。相比普通疲劳，微动疲劳由于微动作用，易造成接触表面摩擦磨损，从而加速裂纹萌生和扩展，使机械构件因微动疲劳而提前断裂失效，造成重大事故和经济损失。
　　 本文选取中碳钢45号钢通过微动疲劳实验、微动接触面显微观察和微动模型有限元模拟全面分析研究了面接触和线接触这两种接触形式对微动疲劳的影响。本文的主要工作和成果如下：
　　 1.设计了桥脚面分别为平面、半径40 mm和70 mm圆柱面的微动桥，带有两平行平面的试样，结合岛津试验机实现了接触形式为面接触和线接触的微动疲劳实验。
　　 2.建立了与三种微动模型相应的有限元模型，并验证了有限元模拟计算的准确性及可行性。通过大量有限元模拟计算得到了实验载荷，使得本文接触形式的比较有同一个基础，即基于相同的循环应力幅。
　　 3.通过微动疲劳实验，得到了各试样在不同接触形式下的微动疲劳寿命，拟合出相应循环应力幅品与微动疲劳寿命Ⅳ之间的关系曲线和关系式。对比分析得出，接触形式的不同对微动疲劳寿命有较大的影响。
　　 4.观察了试样微动接触表面，对照微观形貌，探讨了微动磨损过程和机理。对比面接触和线接触的微动磨损面，显微观察显示，相比面接触，线接触下的磨损面更加光亮平整。
　　 5.运用有限元计算结果，分析了试样微动接触面在同样的循环应力幅下，不同接触形式对应的应力、应力幅分布情况，并得出了应力幅对裂纹的萌生和扩展起主要作用。
　　 本文从宏观到微观分析了接触形式对微动疲劳的影响，并得出了一些结论。本课题还可以结合普通疲劳寿命理论及断裂力学进行量化研究，对微动区域的应力分布与寿命的定量关系做进一步研究。