论文摘要
应力下料技术,是对材料施加疲劳载荷使得疲劳裂纹在预定截面萌生并快速扩展至断裂,从而达到使材料分离的目的的一种方法。这种技术是根据断裂力学原理进行安全设计的逆过程,符合现代机械加工少无切削精密加工的发展方向,是一种绿色加工技术,具有广阔的应用前景。但要使其成为一种实用的工业技术,以往的研究还远远不够。基于此,本文以棒材为对象,从理论和试验两方面对应力下料过程所涉及的机理和主要参数的选择进行了进一步研究,以期能推动应力下料技术向生产力的转化。本文首先从应力下料时影响棒材脆断的因素出发,分析了棒材切口处的应力、应变状态,讨论了切口处疲劳裂纹起始的部位及其力学模型,结合疲劳裂纹扩展的微观机理及影响疲劳裂纹扩展速率的内外因素,讨论了不同载荷形式作用下棒材断口的宏观形貌及棒材应力下料时的疲劳强度。在切口型式的选择上,本文使用有限元方法分析了应力下料时四种典型切口型式(U型、V型、半V型和反半V型)切口处的应力集中情况。在切口参数的选择上,本文使用有限元方法分析了切口深度、切口张开角度及切口根部圆角半径等对切口处应力集中程度的影响。从理论上得出的主要结论有:应力下料时,V型切口在切口处形成的应力集中程度最大,最有利于初始疲劳裂纹的萌生;不同直径的棒材均在切口相对深度为0.1附近时,切口处应力集中系数达到峰值;切口张开角度对切口处的应力集中程度影响不大,建议切口张开角度取在60°～90°之间;切口根部圆角半径对切口根部应力集中程度有较大的影响等。在理论分析的基础上,本研究选用了两种材料,进行了试验验证。试验结果较好的支持了有限元方法的分析结果。
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摘要ABSTRACT1 绪论1.1 课题研究的背景、目的和意义1.1.1 棒材下料方法现状及存在问题1.1.2 金属材料的低应力脆断现象1.1.3 棒材应力下料思想的提出1.1.4 棒材应力下料的方法及特点1.2 棒材应力下料研究的主要内容1.3 棒材应力下料研究中存在的问题1.4 本文研究的主要内容及方法1.5 本文的主要结构2 棒材应力下料的力学分析2.1 断裂的类型及分类2.2 影响脆性断裂的因素2.2.1 切口的影响2.2.2 应力状态的影响2.2.3 温度的影响2.2.4 加载速率的影响2.3 控制断裂的三个主要因素2.3.1 裂纹的三种形式2.3.2 应力强度因子和平面应变断裂韧性2.4 切口的应力─应变分析2.4.1 切口处的应力2.4.2 切口疲劳系数2.4.3 切口处的应变2.4.4 棒材切口处的应力状态2.5 切口件中疲劳裂纹起始部位与机理2.6 切口根部裂纹起始的力学模型2.7 结论3 棒材应力下料的疲劳分析3.1 疲劳的分类3.1.1 机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳3.1.2 低周疲劳和高周疲劳3.2 疲劳断口的形貌特征3.2.1 疲劳断口的一般形貌特征3.2.2 不同载荷形式下棒材的宏观疲劳断口形貌3.3 疲劳裂纹的扩展3.3.1 疲劳裂纹的扩展的微观机理3.3.2 疲劳裂纹扩展的一般规律3.3.3 棒材应力下料时疲劳裂纹扩展寿命的估算3.4 影响疲劳裂纹扩展速率的因素3.4.1 影响疲劳裂纹扩展速率的内部因素3.4.2 影响疲劳裂纹扩展速率的外部因素3.5 棒材的疲劳3.5.1 疲劳寿命曲线3.5.2 影响疲劳强度的主要因素3.6 结论4 棒材应力下料切口参数的有限元研究4.1 有限元法4.1.1 有限元法的基本思想及其特点4.1.2 有限元法的网格划分4.1.3 ANSYS简介4.2 棒材应力下料时切口参数的有限元分析4.2.1 实体模型的建立4.2.2 单元的选择4.2.3 网格的划分4.2.4 载荷的施加4.2.5 切口型式的有限元分析结果4.2.6 切口相对深度的有限元分析结果4.2.7 切口张开角度的有限元分析结果4.2.8 切口根部圆角半径的有限元分析结果4.3 结论5 棒材应力下料的相关试验研究5.1 试验过程5.1.1 试验材料及试样的参数5.1.2 试验设备5.1.3 试验方法5.2 试验结果5.2.1 切口型式与试样疲劳断裂周次的关系5.2.2 切口相对深度与试样疲劳断裂周次的关系5.2.3 切口张开角度与试样疲劳断裂周次的关系5.2.4 试样切口根部圆角半径与试样疲劳断裂周次的关系5.2.5 试样断面的宏观形貌5.3 结论6 结论与展望6.1 全文总结6.2 研究展望参考文献致谢攻读学位期间取得的研究成果
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