42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为及疲劳寿命预测的研究

论文摘要

随着科学技术的不断进步,各种机械产品或者工程设备逐渐向高温、高压、高速和大型化的方向发展,机械零件承受复杂的交变载荷,工作条件越来越恶劣,疲劳破坏事故层出不穷,给社会和生产造成了巨大的损失。42CrMo钢是高强度合金钢领域最为常用的材料,是高速机车和齿轮等关键零部件的重要材料。如果产生疲劳破坏,必然会造成不可估量的后果。本课题以山东省自然科学基金项目[Y2002F19]为依托,以42CrMo作为主要研究材料,进行了疲劳寿命的预测模型的研究,提出了三种有意义的疲劳寿命的预测模型,完成了42CrMo钢试样疲劳短裂纹显微疲劳试验以及疲劳断口扫描电镜试验,探讨了裂纹萌生与扩展的微观机理,建立了材料细观组织仿真模型以及疲劳短裂纹的演化模型,并与试验现象进行了比较。首先,对考虑平均应力影响的疲劳寿命预测方法进行了分析和总结。根据疲劳试验数据曲线进行分析,对照典型的常用函数的曲线进行比较,确定以幂函数作为相应参量,提出一种修正的Basquin数学模型。采用Box-Cox变量变换方法使原拟合变量的曲线关系变为新拟合变量间的良好的线性关系,使得所构建的模型预测精度得到提高,从而得到良好的残差分布。提出一种基于变量变换修正的Basquin公式疲劳寿命预测模型,经过拟合数据证明,Box-Cox变量变换法在疲劳寿命预测以及数据处理中具有极大的优越性。疲劳损伤与疲劳过程中的能量的吸收和累积有密切的联系。应用能量法进行疲劳寿命的预测能够揭示疲劳损伤的本质,具有较高的准确性,并且物理意义比较明确。总应变能密度该理论首次将疲劳裂纹萌生、扩展阶段用统一的数学模型进行表达。同时将低循环、高循坏疲劳理论框架统一起来,为疲劳损伤的预测以及载役检测等提供了良好的理论支持。因此,提出一种考虑拉伸平均应力以及应力比的修正的总应变能密度方法。预测的拟合曲线与试验实测数据点吻合良好。将有限元分析技术与基于变量变换修正的Basquin公式相结合,对渐开线直齿圆柱齿轮轮齿进行了弯曲疲劳寿命预测,预测结果较为理想。其次,完成了42CrMo合金钢显微拉伸疲劳试验,讨论了42CrMo钢裂纹萌生与扩展的微观机理。在细观尺度上动态观察了试样表面疲劳短裂纹萌生扩展演化过程,观察结果表明,疲劳短裂纹演化具有萌生随机性以及萌生扩展的局域性特点,主导裂纹可自身扩展或与其它短裂纹汇合扩展,总体上裂纹扩展速率具有先加速后减速的特点。疲劳短裂纹主要萌生于试样表面最薄弱的铁素体与基体界面,少数萌生于晶界。第三,研究了42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为的统计特性,经过数据统计分析,认为疲劳短裂纹的萌生寿命与应力水平的比值可以由三参数威布尔累积概率分布函数表示。疲劳短裂纹的扩展寿命与应力水平的比值可以由二参数威布尔累积分布函数表示。相同寿命分数表面疲劳裂纹尺度可以由三参数威布尔累积概率分布函数表示。主导疲劳短裂纹尺度可以用三参数威布尔累积概率分布函数进行描述。考察了多种不同的常用统计分布形式,寿命分数比较符合两段式威布尔概率分布。主导疲劳短裂纹的扩展速率可以由三参数威布尔分布进行描述。最后,提出一种细观组织结构的CAMC算法模型,建立了一种综合考虑短裂纹萌生、扩展、合并以及干涉行为的疲劳短裂纹演化物理模型。在材料二维仿真细观组织图像的基础上,利用Monte Carlo的原理进行疲劳短裂纹的萌生及扩展演化行为的模拟。首次在疲劳短裂纹的物理模型中引入疲劳源的概念,保证疲劳短裂纹在材料表面、内部夹杂以及晶界等薄弱环节首次产生,符合疲劳短裂纹试验的真实状态,并进行了42CrMo显微疲劳试验的3组裂纹扩展速率数据的模拟分析,模拟结果与试验结果符合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 疲劳短裂纹演化行为的研究现状
• 1.2.1 疲劳短裂纹的定义与分类
• 1.2.2 疲劳短裂纹萌生的微观机制
• 1.2.3 疲劳短裂纹萌生寿命模型
• 1.2.4 疲劳短裂纹扩展的力学模型
• 1.2.5 疲劳短裂纹演化的物理模型
• 1.2.6 疲劳短裂纹演化的实验方法
• 1.3 42CrMo钢疲劳短裂纹演化的国内外研究现状
• 1.4 疲劳寿命预测模型
• 1.4.1 Basquin公式以及Manson-Coffin公式
• 1.4.2 塑性应变能密度理论
• 1.4.3 总应变能密度方法
• 1.5 问题的提出
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 疲劳寿命预测模型的研究
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳寿命的预测模型
• 2.2.1 对Basquin公式的修正
• 2.2.2 回归分析中的变量变换理论
• 2.2.3 对Basquin公式的变量变换法修正
• 2.2.4 对总应变能密度方法的修正
• 2.3 新提出疲劳寿命预测模型的初步验证
• 2.3.1 修正的Basquin方法
• 2.3.2 基于变量变换修正的Basquin公式
• 2.3.3 修正的总应变能密度方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为显微试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 在位显微疲劳试验装置
• 3.3 42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为的显微疲劳试验及结果分析
• 3.3.1 42CrMo钢疲劳短裂纹萌生现象
• 3.3.2 42CrMo钢疲劳短裂纹扩展现象
• 3.3.3 42CrMo钢疲劳短裂纹合体现象
• 3.3.4 42CrMo钢疲劳短裂纹主扩展路径裂纹干涉现象
• 3.3.5 42CrMo钢疲劳短裂纹主扩展路径与裂尖变化
• 3.4 试验结果分析
• 3.5 疲劳试样断口分析
• 3.5.1 试验目的
• 3.5.2 试样制备
• 3.5.3 疲劳断口分析设备
• 3.5.4 疲劳试样断口分析
• 3.6 疲劳试样应力分析以及疲劳寿命估算
• 3.6.1 疲劳试样的模型和有限元网格的划分
• 3.6.2 疲劳试样的有限元分析
• 3.6.3 疲劳试样的疲劳寿命估算
• 3.7 本章小结
• 第4章 疲劳短裂纹演化行为的统计特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 不同应力水平下疲劳短裂纹萌生寿命的统计特性
• 4.3 不同应力水平下疲劳短裂纹扩展寿命的统计特性
• 4.4 相同寿命分数表面疲劳裂纹尺度的统计特性
• 4.5 主导疲劳短裂纹尺度的统计特性
• 4.6 疲劳短裂纹寿命分数的统计特性
• 4.7 疲劳短裂纹扩展速率的统计特性
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于材料疲劳短裂纹试验的齿轮轮齿弯曲疲劳寿命预测的研究
• 5.1 引言
• 5.2 齿轮轮齿弯曲疲劳寿命预测
• 5.2.1 渐开线直齿圆柱齿轮参数化模型构建
• 5.2.2 Femap有限元分析
• 5.2.3 疲劳寿命预测结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 疲劳短裂纹萌生与扩展的仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料组织结构仿真
• 6.2.1 材料组织结构仿真方法概述
• 6.2.2 基于Monte Carlo和细胞自动机的材料组织结构仿真
• 6.2.2.1 基本假设
• 6.2.2.2 三维CAMC材料组织结构数值模拟算法
• 6.2.2.3 晶粒尺度分布
• 6.2.2.4 晶粒组织结构模拟
• 6.3 疲劳短裂纹萌生与扩展演化行为的仿真研究策略
• 6.3.1 基本假设
• 6.3.2 疲劳短裂纹演化模型
• 6.3.3 42CrMo钢疲劳短裂纹演化模拟与验证
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 42CrMo合金结构钢中外牌号对照
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研工作
• 致谢
• Appendix Ⅰ:Combining Cellular Automata and Monte Carlo Algorithm to Simulate Three-Dimensional Grain Growth
• Appendix Ⅱ:Virtual Prototyping of Complex Mechanical System Based on Product Life Simulation
• 学位论文评阅及答辩情况表