含不同尺寸菱形压痕EA4T钢车轴的疲劳性能

采用菱形压头挤压的方式在取自EA4T钢车轴的弯曲疲劳试样上预制压痕缺陷,研究了压痕深度对疲劳强度的影响;采用修正Murakami模型预测了疲劳强度,并引入疲劳指示参数构建了疲劳寿命预测模型;采用有限元法对压痕附近的应变进行了分析。结果表明:试样的疲劳强度随压痕深度的增加而降低,与无压痕试样相比,压痕深度为0.052 mm时,疲劳强度略微降低,压痕深度为0.112,0.504 mm时,疲劳强度显著降低;疲劳裂纹萌生于应力集中较大的预制压痕短对角线处,有限元模拟结果较准确;修正的Murakami模型能较准确地预测含压痕缺陷试样的疲劳强度,构建的疲劳寿命预测模型具有较高的精度,实测值与预测值之比均在2倍误差因子范围内。     

夹杂物尺寸与S135钻杆钢疲劳强度的相关性

对S135钻杆钢进行了旋转弯曲疲劳试验,研究了其疲劳性能,分析了夹杂物对疲劳性能的影响;利用光学显微镜测得不同视场下钢中最大夹杂物的直径,利用Murakami模型预测得到试样的疲劳强度,并与试验结果进行了对比。结果表明:疲劳裂纹源位于试样表面或次表面的复杂氧化铝夹杂物处,由升降法测得的疲劳强度为541.87 MPa;利用Murakami模型计算得到的疲劳强度与试验值的相对误差最大为5.62%,Murakami模型计算的准确性较高。     

含冲击凹坑缺陷的ZM6材料疲劳试验与寿命预估方法研究

制备了ZM6镁合金材料的光滑试样、缺口试样以及含冲击凹坑缺陷的试验件,并对这些试验件进行了疲劳试验测试,获得了含冲击缺陷时不同应力水平下试验件的疲劳寿命.基于连续损伤力学理论,在高周疲劳损伤演化模型的基础上,提出了一种新的多轴疲劳的损伤演化模型,用于描述凹坑局部材料的疲劳损伤.采用Abaqus软件对凹坑缺陷的形成过程进行模拟,得到了凹坑缺陷的几何形状和局部的残余应力应变场.通过Abaqus子程序Usdfld将材料本构和损伤演化进行耦合,从而实现含凹坑缺陷结构件疲劳寿命的计算.结果 显示,预测的中值寿命结果与试验中值寿命结果一致,误差在两倍误差带内,符合工程使用的要求.     

含缺陷的30NiCrMoV12车轴钢的多变量疲劳性能研究

车轴遭受异物冲击缺陷存在多种形式，其中棱角冲击对车轴疲劳性能影响较大，会加速车轴的失效。为研究棱角冲击缺陷对车轴疲劳极限的影响，针对30Ni Cr Mo V12车轴钢，采用软件模拟与疲劳试验相结合的方法，借助ABAQUS对冲击缺陷区域进行应力场分析，对预制好的缺陷车轴试样进行疲劳试验，依据试验结果采用近似欧文单侧公差极限法拟合各试样组疲劳P-S-N曲线，得到相应的疲劳极限。根据各试样组的疲劳试验结果预测全尺寸车轴疲劳极限。考虑冲击缺陷深度的分散性，对缺陷深度和全尺寸车轴疲劳极限两参数进行拟合。最后基于EI-HADDAD公式，建立含棱角冲击缺陷的30Ni Cr Mo V12车轴钢的多变量疲劳极限预测模型。采用该模型能够快速预估含不同尺寸棱角缺陷的全尺寸车轴疲劳极限。     

S38C车轴钢的旋转弯曲和超声振动疲劳性能研究

选取经硬化（强化）处理的S38C车轴钢小试样,分别采用旋转弯曲疲劳试验机和超声振动疲劳试验机进行疲劳试验,研究其旋转弯曲和超声振动疲劳性能。研究表明,对于具有低温回火马氏体组织的S38C车轴材料,若以4×108周次不发生疲劳破坏的最大应力为疲劳极限,旋转弯曲疲劳试验得到的疲劳极限为775 MPa,超声疲劳试验得到的疲劳极限为675 MPa。通过升降法试验得到(旋转弯曲加载)的具有低温回火马氏体组织的S38C材料在108周次的疲劳极限：对应失效概率10%、置信度95%的疲劳强度下极限为707 MPa;对应失效概率1%、置信度95%的疲劳强度下极限为647 MPa。     

S38C车轴钢的旋转弯曲和超声振动疲劳性能

选取经硬化(强化)处理的S38C车轴钢小试样,分别采用旋转弯曲疲劳试验机和超声振动疲劳试验机进行疲劳试验,研究其旋转弯曲和超声振动疲劳性能。研究表明,对于具有低温回火马氏体组织的S38C车轴材料,若以4×108周次不发生疲劳破坏的最大应力为疲劳极限,旋转弯曲疲劳试验得到的疲劳极限为775 MPa,超声疲劳试验得到的疲劳极限为675 MPa。通过升降法试验得到(旋转弯曲加载)的具有低温回火马氏体组织的S38C材料在108周次的疲劳极限:对应失效概率10%、置信度95%的疲劳强度下极限为707 MPa;对应失效概率1%、置信度95%的疲劳强度下极限为647 MPa。     

裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

通过高周疲劳试验研究了裂纹源位置对6005A-T6铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响。结果表明:6005A-T6铝合金挤压型材在应力比0.1下的中值疲劳强度为164.5 MPa,疲劳强度较高,但疲劳寿命分布较分散;在最大应力200 MPa条件下,具有不同疲劳寿命试样的疲劳裂纹源区的面积较小,疲劳裂纹扩展区均由疲劳条带和二次裂纹组成,瞬断区的面积较大,均由孔洞和韧窝组成;在相同最大应力下疲劳寿命存在差异的原因在于疲劳裂纹源位置的不同,在最大应力为200 MPa条件下,疲劳裂纹源位于孔洞缺陷处试样的疲劳寿命最长,比疲劳裂纹源位于氧化夹杂物处试样的疲劳寿命延长一个数量级,疲劳裂纹源位于Al7(Cr Fe)第二相颗粒处试样的疲劳寿命居于二者之间。     

红外热像法预测镁合金的疲劳性能

对AZ31B镁合金板材在室温下的高周疲劳性能进行了研究,用红外成像仪测量了疲劳试验过程中合金表面的温度变化;根据疲劳试验过程中温度-应力关系及试样表面温度分布差异,确定疲劳断裂位置和疲劳极限。结果表明:根据合金表面温度变化可以预测疲劳断裂位置;以此法确定的AZ31B镁合金的疲劳极限为107.5MPa,与常规疲劳试验测得的疲劳极限吻合较好;加载初期镁合金升温到一定温度后又下降至室温左右,在断裂前温度快速升高。     

18CrNiMo7-6高铁齿轮钢的疲劳极限评定

在不同最大循环应力(600～880 MPa)和应力比0.1下对18CrNiMo7-6高铁齿轮钢进行棘轮试验和疲劳试验，先通过对稳定阶段的棘轮应变差值和温升与最大循环应力进行拟合来预测疲劳极限，然后再基于由棘轮应变差值和温升计算的断裂疲劳熵来预测疲劳极限，并将不同方法的预测结果与试验结果进行对比。结果表明：由稳定阶段的棘轮应变差值和温升与最大循环应力的线性拟合得到的疲劳极限分别为664.9,681.4 MPa,与由疲劳试验得到的疲劳极限(689.0 MPa)的相对误差分别为1.11%,3.50%,说明用这2种方法预测疲劳极限的精度较高；当最大循环应力为673.2 MPa时，断裂疲劳熵值由0.1 MJ·m^-3·K^-1以下突变增至0.46 MJ·m^-3·K^-1,由此预测得到的疲劳极限为673.2 MPa,与疲劳试验结果的相对误差为2.3%,预测精度较高。     

《疲劳设计方法》(二)影响疲劳强度的因素

一、前言讲座(一)里所提的疲劳线图,是根据标准试样的试验结果而绘制的,但由于许多因素的影响,实际使用零件的疲劳极限与上述疲劳线图所得的疲劳极限有很大的差异.因此在零件的疲劳强度设计中,除直接用零件试验得到的疲劳线圈外,经常从试样的疲劳线图上求出零件的疲劳极限,这就需要研究影响疲劳强度的各个因素.试验研究表明,零件的表面状态、应力集中、尺寸和载荷频率对疲劳强度都有比较显著的影响,下面我们就从这几方面来进行分析研究.     

含夹杂物和疏松缺陷的车轮材料疲劳性能对比研究

通过超声波探伤确定缺陷在CL65车轮轮辋中的位置，取出了含有缺陷的毛坯试样，并加工成疲劳试样。在岛津电液伺服疲劳试验机上进行疲劳试验，获得含缺陷试样的疲劳寿命，并分析了缺陷的形状、尺寸与化学成分。结果表明，疏松缺陷的主要成分为MnS,夹杂物缺陷的主要成分为硬质氧化物，含疏松缺陷试样的疲劳寿命高于含夹杂物缺陷试样。结合镶嵌应力理论建立有限元模型，分析了两种缺陷对车轮材料疲劳性能影响的差异。与夹杂物缺陷相比，疏松缺陷和基体界面上的镶嵌应力显著降低，缺陷周围应力集中程度小。因此，含MnS疏松对车轮材料疲劳性能的危害程度明显小于氧化物夹杂。     

中高强度铝合金熔化焊接接头的缺陷容限评价方法

应用电子背散射衍射及高精度同步辐射X射线三维原位成像技术,结合高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验,揭示了激光复合焊接的中高强度铝合金的微结构特征(如组织、缺陷等)对疲劳性能的影响。结果发现,激光复合焊接过程显著改变了铝合金接头各区的组织特征;焊缝中存在着大量气孔缺陷;接头的拉伸和疲劳性能均低于母材,软化严重;根据缺陷的极值统计与修正的Murakami公式,获得了接头的理论疲劳极限。绘制出熔焊接头Kitagawa-Takahashi图,通过高周疲劳极限值推证得到铝合金7020和7050激光复合焊接头的缺陷容限值分别为185μm和311μm。     

中阶梯光栅厚铝膜硬度计算方法修正

为了排除Pile-up现象对真空镀制机刻光栅厚铝膜在纳米压痕测试硬度中的影响,获得中阶梯光栅铝膜准确硬度值,提出通过修正OP法中接触投影面积的新硬度计算方法。首先,参照中阶梯光栅成槽深度,采用连续刚度测试模式,对中阶梯光栅厚铝膜进行压入深度为5μm的纳米压痕硬度测试。其次,对压痕位置进行SEM与AFM测试,结果表明厚铝膜在纳米压痕硬度测试中出现Pile-up现象。最后,对铝膜纳米压痕数据分析、提取,压痕隆起形貌复原等,证明接触面投影面积边缘为抛物线,进而对OP法中接触投影面积的计算方法进行修正。结果表明:采用纳米压痕硬度测试方法,中阶梯光栅厚铝膜的硬度值随着压深增加而增加,采用修正接触投影面积的硬度修正计算方法获得的硬度值比传统OP法所得硬度值减少40%左右。     

渗碳及渗碳喷丸齿轮轮齿弯曲疲劳极限的定量分析

跳出学科分工的局限性,对以齿轮为例的表面强化零件的表象疲劳极限进行综合分析。采用20CrMnTi钢制备三点弯曲小试样及齿轮试样。试样都经过同样的渗碳(并淬火及低温回火)处理,其中一半试样再经过表面喷丸强化。为了对比,还有一组小试样经过伪渗碳处理。测定了小试样表面层的残余压应力场。利用升降法确定了5×106周、应力比0.05条件下小试样和齿轮试样轮齿的弯曲疲劳极限载荷,并对各组试验中疲劳寿命最长的断口进行分析。建立有限元模型,并利用ANSYS软件计算齿轮根部的应力场。利用“疲劳源形成和疲劳极限的微细观过程理论”及“表面和内部疲劳极限”的概念对试验结果进行定量分析,并探讨根据小试样疲劳极限确定复杂零件(如齿轮)疲劳极限载荷的方法,以及表面强化工艺优化的问题。     

不同应力状态下硬面涂层材料的疲劳强度

采用弯曲疲劳和拉-压疲劳试验,比较了45钢基体上真空熔覆镍基合金/WC复合涂层试样在不同应力状态下的疲劳强度,并与45钢基体材料进行了对比。结果表明：在弯曲疲劳时,在相同寿命的条件下,正火后涂层试样比无涂层试样的承载能力提高80MPa左右；当N＜3×10~4时拉-压疲劳时,涂层试样的疲劳强度小于无涂层试样,而N＞3×10~4时拉-压疲劳时,则相反；在相同寿命的条件下,涂层试样的弯曲疲劳强度比拉-压疲劳大75MPa左右,而无涂层试样则大25MPa左右。     

喷丸表面强化处理Fe-2Cu-2Ni-1Mo-1C材料的弯曲疲劳性能及断口分析

由于孔隙的存在,粉末冶金材料的性能较差,尤其是疲劳性能,而喷丸后续处理工艺可显著降低材料表面的孔隙率,对疲劳性能起到明显的强化效果。因此,采用超声弯曲疲劳试验方法研究喷丸后续处理工艺对Fe-2Cu-2Ni-1Mo-1C粉末冶金烧结材料的疲劳性能的影响。结果显示,喷丸处理可以明显提高Fe-2Cu-2Ni-1Mo-1C烧结钢的疲劳性能,在106、107、108循环周次条件下,喷丸前试样的条件疲劳极限分别为424 MPa、311 MPa和229 MPa,喷丸后的分别为513 MPa、421 MPa和346 MPa,依次提高了21.0%、35.2%和51.0%。断口分析发现,喷丸处理对Fe-2Cu-2Ni-1Mo-1C材料的疲劳断口的影响主要在裂纹萌生阶段,未经过喷丸处理的试样裂纹源集中在应力最大的试样喷丸表面棱角处,喷丸强化后的试样疲劳裂纹在喷丸表面的亚表面萌生,裂纹源有向试样亚表面移动的趋势。     

铝合金型材融合口材料疲劳极限测定

为了测试口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限,针对型材尺寸、形状和融合口位置的特殊性--不能设计成符合现有规范的标准疲劳试样形状,设计了L形缺口试样及其疲劳试验夹具。通过有限元模拟试验载荷、仿真试样应力分布,应用数值回归的方法求解出最大应力值,确立了试验载荷与L形缺口试样疲劳应力之间的函数关系。利用设计的试样和夹具进行升降法试验,测得了一种口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限,并对试样进行了断口分析。     

预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响

对含缺陷的未预滚压和预滚压车轮钢试样分别进行滚动接触疲劳试验,观察表面缺陷的形貌变化过程,分析预滚压和缺陷尺寸对轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。通过有限元方法分析缺陷附近材料的应力状态,通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响。试验结果表明:由于表层材料的塑性变形,未滚压车轮试样的缺陷尺寸随滚动周次的增加而减小;超过一定周次后,由于塑性变形不再累积,缺陷尺寸基本保持不变;预滚压处理通过减小表层材料的塑性变形,可抑制缺陷尺寸的减小,从而降低车轮试样的疲劳寿命;缺陷尺寸的增加会进一步降低预滚压试样的疲劳寿命;在油润滑条件下,预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。仿真结果表明,当缺陷尺寸从200μm增加至400μm,最大剪应力幅值从缺陷底部转移至缺陷中部,疲劳裂纹萌生位置也随之改变。     

基于改进多轴疲劳模型的曲轴疲劳研究

为研究曲轴弯曲疲劳特性,将McDiarmid多轴疲劳模型应用到曲轴弯矩疲劳极限载荷预测当中。首先开展了曲轴在弯矩载荷作用下的应力状态分析,确定了该类疲劳属于多轴疲劳;其次利用了坐标变换法,获得了临界平面内的坐标以及剪切应力与法向应力值;最后对一款曲轴在疲劳极限载荷作用下的应力应变状态进行了分析,获得了极限应力值,对同种材料、结构不同的另一款曲轴的疲劳极限载荷进行了预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:传统的McDiarmid多轴疲劳模型在预测曲轴疲劳极限载荷时有时会导致较大误差,而经过应力比修正后的模型具有更高的预测精度,更适合在实际工程当中应用。     

改进的概率疲劳极限测定方法

提出了利用升降试验法数据测定概率疲劳极限的3种改进方法。揭示了现有常规法存在不能合理反映疲劳极限的随机性和预测误差较大的缺陷。依据可能的3种试验数据形式,改进方法以疲劳极限附近具有“概率Basquin局部S-N关系”为基础,将疲劳极限视为给定疲劳寿命的条件随机变量,其统计特征通过配对试样的随机疲劳寿命来揭示。应用于车辆LZ50车轴钢概率疲劳极限的测定,验证了改进方法的有效性。