激光强韧化处理高碳钢的Hertz接触应力状态及疲劳裂纹扩展特性研究

摘要

本文采用ANSYS有限元软件,对激光强韧化处理高碳钢的接触应力、应变场进行了数值模拟分析,并对激光强化区滚动疲劳裂纹的扩展特性进行了研究。
　　通过建立Hertz接触有限元模型,分析了接触面摩擦系数与高碳钢接触表面应力、最大剪应力以及塑性应变的关系,结果表明:Hertz接触斑前后存在明显拉压应力区;摩擦系数变化对横向、法向应力影响较小,对纵向应力影响显著;当摩擦系数超过0.2时,最大剪应力位置从Hertz接触斑下3mm转移到接触斑表面;当摩擦系数为0.2~0.4时,高碳钢基体发生塑性应变;摩擦系数达到0.5时,激光强化区内部开始产生塑性应变。
　　分析了Hertz接触位置与VonMises等效应力、塑性应变的关系,结果显示:当Hertz接触位置距离强化斑中心3mm时,在激光强化区出现最大等效应力,基体区出现最大塑性应变。
　　对比高碳钢激光强化前后的数值模拟结果发现,在激光强化区与基体区边界内外各0.5mm区域,其应力、应变存在明显的波动特性;激光强化处理后的高碳钢,其塑性应变降低,而VonMises等效应力增加。
　　采用奇异单元建立了三维裂纹尖端有限元模型,计算结果表明:激光强化后,强化斑下方基体中裂纹尖端的应力强度因子KI值减小。接触中心最大压强达到1800MPa,强化区下基体的裂纹深度为1.8mm时,裂纹尖端的KI值最大,达到34.6MPa·m1/2,仍然低于-40℃下基体材料的KIC值(38.6MPa·m1/2)。
　　对两组采用不同处理工艺的模拟轮轨试样进行了滚动接触疲劳试验。试验发现,激光强韧化技术可以显著提高钢轨耐磨性能。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 轮轨接触应力的研究现状

1.3 钢轨踏面裂纹扩展的研究现状

1.4 研究内容及课题意义

2 Hertz接触应力的有限元模型分析

2.1 Hertz接触条件及应力状态

2.2 Hertz接触有限元模型

2.3 本章小结

3 激光强韧化钢轨接触应力/应变分析

3.1 激光强韧化钢轨接触应力分析

3.2 激光强韧化钢轨接触应变分析

3.3 激光强韧化钢轨的接触应力/应变与接触位置的关系研究

3.4 本章小结

4 激光强韧化处理试样裂纹的扩展规律及安全性评价

4.1 裂纹模型构建

4.2 裂尖应力强度因子计算

4.3 本章小结

5 轮轨滚动接触疲劳试验研究

5.1 试验材料、设备及参数

5.2 试验结果与分析

5.3 本章小结

6 总结

致谢

参考文献