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45号钢在不同应力比循环载荷下的微动疲劳特性

苏彬  
【摘要】:微动疲劳存在比较普遍,是造成机械结构中一些关键零部件失效的主要原因。微动疲劳损伤在构件接触表面萌生裂纹并扩展,降低了构件的疲劳寿命,甚至造成灾难性的事故。实验研究了45号钢,在不同应力比轴向循环载荷下的微动疲劳寿命和裂纹萌生特性。 通过有限元数值计算,分析了接触面的应力强度、轴向应力、横向应力、剪应力等的分布特点及其对裂纹萌生特性的影响。主要工作和成果如下: 1.设计了柱面桥脚微动桥、加载螺头及加载钢圈等实验装置。实现了柱面—平面接触的微动疲劳实验。获得了垂直载荷为2000 N,轴向循环载荷应力比分别为0,0.25,0.5条件下,45号钢微动疲劳的S—N曲线。研究发现,轴向循环载荷应力比大于等于0时,相同轴向循环载荷应力幅下的微动疲劳寿命,随着轴向循环载荷应力比的增大而降低。显微观察了微动磨损面,磨损面存在大量平行于微动方向的磨痕及微裂纹群、长裂纹、表面脱落、蚀坑等微动磨损现象。分析了实验条件下的微动磨损机理。测量了微动疲劳断裂裂纹位置。45号钢在柱面—平面接触条件下,微动疲劳断裂裂纹位置集中在试样与微动桥桥脚接触中心区域,且偏于桥脚外侧。 2.建立了与实验微动模型相同的有限元模型,获得了与实验载荷一致的微动模型的数值解。分析了接触面应力强度、轴向应力、横向应力、剪应力等的分布特点及其对裂纹萌生的影响。在接触区域存在应力集中,且最大应力强度幅度在接触区域偏于桥脚外侧的位置。在轴向载荷的作用下,此位置应变量最大,易于萌生裂纹。通过与实验结果断裂裂纹位置的对比,可以确定此点即是微动疲劳断裂裂纹萌生位置。 通过实验研究和有限元数值计算,分析了45号钢在不同应力比轴向循环载荷下微动疲劳寿命和裂纹萌生特性。本课题对于复合材料、陶瓷材料等新型材料微动疲劳特性有待进一步研究。


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