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超声波振动单向拉伸下20#钢的力学性能研究

秦军  
【摘要】:在航天、航海及轴承等行业中,一些高速运行部件经常会发生高能、高频的振动,这种振动所产生的交变应力会严重影响到这些部件的承载能力,部件材料会出现“软化”行为,所以在设计和校核这类部件时,便不能按照常规思路进行,必须知道所设计部件材料在此种情况下的各种力学性能指标。另外,在机械超声振动切削加工行业中,材料在受超声波加载时也会出现一定的“软化”现象,这样会有益于材料的切削加工。如果能知道被加工材料在此种情况下的力学性能将会使切削参数的选择更加准确。为了研究金属材料在超声作用下各种力学性能指标,本文以20#钢为例将超声振动引入到单向拉伸试验中,以期预测其它金属材料在超声振动单向拉伸下力学性能指标的变化趋势。 本文致力于超声振动单向拉伸系统、20#钢在超声振动单向拉伸作用下的力学性能以及超声波作用下材料“软化”机理的研究。研制了超声振动单向拉伸实验装置;研究了在超声振动单向拉伸载荷作用下20#钢的各种力学性能指标;建立了20#钢在超声振动单向拉伸作用时的本构方程;复杂拉伸实验证实了材料“软化”行为随超声波的加载而出现,随超声波的停止而消失;有限元分析则论证了工件内部受到的是一个交变的应力;通过扫描电镜(SME),对不同频率、不同功率振动拉伸下的断口形貌进行了分析,得出了超声波作用时,20#钢确实出现了“软化”行为,其断口表现出一定的塑性断口特征;采用该套超声拉伸系统对含裂纹的工件进行了拉伸实验,结合理论分析得出了在超声振动单向拉伸载荷作用下裂纹的扩展机理;最后总结出20#钢在超声振动单向拉伸载荷作用下的“软化”机理。


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