45号钢微动疲劳门槛值和微动磨损特性研究

摘要

工程实际当中大量存在微动疲劳破坏现象。微动是两个接触表面间极小振幅的相对运动，在普通疲劳的基础上增加的微动作用会造成接触表面摩擦磨损，加速裂纹萌生和扩展，使材料或构件因微动疲劳破坏而提前断裂失效，造成重大灾难和损失。
　　 构件疲劳寿命的减少程度与微动磨损程度有重要的关系，由于微动疲劳的影响因素众多，在此方面至今没有形成完全广泛公认的相关理论，为了全面认识微动磨损程度与构件疲劳寿命变化的关系及其影响机理，本文对45号钢从中断性微动试验、磨损面磨损特征的显微观察和有限元微动接触力学分析三方面进行了全面综合的研究。本文的主要工作和成果如下：
　　 1．针对45号钢不同微动磨损程度与构件疲劳寿命变化程度的宏观关系，通过中断性微动疲劳试验进行实验研究，测得了描述此关系的重要参数即微动疲劳门槛值，实验结果显示45号钢微动疲劳破坏明显存在一个门槛值，用微动循环次数与相同载荷条件下全微动疲劳基准寿命的比值表示，其微动疲劳破坏门槛值在20％～40％之间。
　　 2．对于不同微动程度时微动磨损面的磨损特性和裂纹特征及其与微动疲劳门槛值的关系，对接触面显微观察，结果显示，微动次数超过微动疲劳门槛值后，接触面都能明显观察到扩展性裂纹。
　　 3．针对微动作用对裂纹的萌生和扩展的影响，从接触力学角度通过有限元模拟建立微动接触模型并进行计算分析。结果显示，微动作用能影响的裂纹扩展深度为400μm，由裂纹扩展的两个阶段特征可知当微动程度达到第二类门槛值时的裂纹深度也即为400μm。并从应力幅和接触状态两方面分析预测了接触面最容易萌生裂纹的位置，与实验结果比较吻合。
　　 本文从宏观的实验疲劳寿命结果、微观的磨损特性以及接触力学分析三个方面对45号钢微动疲劳门槛值及其本质机理进行了综合全面的研究。本课题还可以结合断裂力学进行定量化的研究，以及对于其他材料的微动疲劳门槛值可以做进一步研究。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 背景及研究意义

1.2 微动疲劳研究的发展历程

1.3 微动疲劳研究现状

1.3.1 疲劳实验研究的微动模型

1.3.2 微动磨损特性和微动疲劳机理

1.3.3 微动疲劳的影响因素

1.3.4 微动疲劳裂纹萌生条件及预测标准

1.3.5 微动疲劳强度和寿命的计算方法

1.3.6 有限元法在微动疲劳中的应用

1.4 微动疲劳门槛值方面研究概述

1.5 本文研究的主要内容

1.6 本文结构

第2章 微动疲劳实验装置设计

2.1 实验微动接触模型

2.2 微动试验试样设计

2.3 微动试验微动垫结构设计和校核

2.3.1 桥式微动垫结构

2.3.2 微动垫桥体强度和刚度校核

2.4 环形加载钢圈结构设计和校核

2.4.1 环形加载钢圈结构

2.4.2 环形加载钢圈强度校核

2.5 加载螺头设计

2.6 微动试验装置装配图

2.7 本章小结

第3章 45号钢微动疲劳门槛值和微动磨损特性的实验研究

3.1 实验原理和方法

3.1.1 微动疲劳实验原理

3.1.2 微动垫标定

3.1.3 实验方案

3.1.4 实验参数和实验程序

3.2 实验结果和讨论

3.2.1 试样拉伸试验结果

3.2.2 微动垫标定结果

3.2.3 普通疲劳和微动疲劳试验寿命结果和讨论

3.2.4 中断性微动疲劳试验结果和讨论

3.3 微动接触面显微观察与分析

3.3.1 微动接触磨损面形貌特征

3.3.2 不同微动程度接触表面裂纹特征

3.4 本章小结

第4章 微动接触力学有限元数值模拟方法

4.1 有限元接触模型

4.1.1 基于ANSYS有限元软件的接触分析

4.1.2 ANSYS有限元接触模型

4.1.3 约束条件和加载方法

4.2 有限元计算结果与分析

4.2.1 接触区域的相对滑移幅计算

4.2.2 接触区域在各载荷步下的应力状态

4.3 微动疲劳寿命的附加应力法

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

符号及变量说明

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果