幾種金屬材料彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究.pdf

1、彎曲微動(dòng)疲勞現(xiàn)象廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域中，例如火車輪軸、火車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸及小齒輪軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和架空電纜等。彎曲微動(dòng)疲勞可導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的失效甚至災(zāi)難性事故，但是目前該問題的研究尚少，且不夠系統(tǒng)和深入。因此系統(tǒng)研究彎曲微動(dòng)疲勞的行為和損傷機(jī)理，不僅在揭示微動(dòng)疲勞損傷機(jī)理，完善微動(dòng)摩擦學(xué)理論有重要的科學(xué)意義，而且在抗彎曲微動(dòng)疲勞失效的實(shí)際應(yīng)用中具有重要的工程指導(dǎo)意義。
　　本研究在自主設(shè)計(jì)、研制的高精度彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上，采用點(diǎn)

2、和線接觸方式，在不同彎曲載荷、法向接觸載荷和循環(huán)周次下，對316L奧氏體不銹鋼、7075鋁合金、LZ50鋼和17CrNiMo6鋼等材料進(jìn)行了系統(tǒng)的彎曲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，建立了不同材料的常規(guī)和微動(dòng)疲勞S～N曲線。在此基礎(chǔ)上，采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)和表面形貌儀等微觀分析手段，結(jié)合微動(dòng)疲勞斷口分析、微動(dòng)損傷區(qū)分析、剖面分析和顯微組織TEM分析，系統(tǒng)研究了四種材料彎曲微動(dòng)疲勞

3、的損傷機(jī)理。獲得的主要結(jié)論如下：
　　(1)由于微動(dòng)作用，彎曲微動(dòng)疲勞壽命大大低于常規(guī)疲勞，壽命可能降到常規(guī)疲勞的30％，甚至更低。對于彎曲微動(dòng)疲勞，交變應(yīng)力對壽命的影響十分顯著，應(yīng)力水平越高，微動(dòng)疲勞壽命越低，彎曲微動(dòng)疲勞的S～N曲線呈“C”曲線型。對應(yīng)C曲線的鼻子為微動(dòng)運(yùn)行的混合區(qū)，裂紋最容易萌生、擴(kuò)展，壽命最低；在C曲線下方為部分滑移區(qū)，微動(dòng)損傷較輕微，壽命較長；在C曲線上方為滑移區(qū)，該區(qū)域內(nèi)磨損速率高，表面微裂紋核被磨掉，

4、壽命得以延長。
　　(2)微動(dòng)疲勞的損傷區(qū)磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，損傷過程可總結(jié)為：a)在初始階段，微動(dòng)損傷區(qū)為環(huán)狀形態(tài)，磨損區(qū)域有犁溝和少量氧化物磨屑，沒有發(fā)現(xiàn)形成微觀裂紋，磨損機(jī)制為輕微磨粒磨損和氧化磨損；b)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變得嚴(yán)重，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，在此階段也沒有發(fā)現(xiàn)表面裂紋和疲勞裂紋萌生，此時(shí)磨損機(jī)制為磨粒磨損、氧化磨損和剝層；c)隨著循環(huán)周次的進(jìn)一步作用，損傷繼續(xù)加劇，表面傾斜裂紋和剖面微觀裂紋

5、均已形成，此時(shí)磨損機(jī)制仍為磨粒磨損、氧化磨損和剝層；d)次表面疲勞裂紋與接觸表面呈一定角度方向擴(kuò)展，在另一方向與表面傾斜裂紋相連，此時(shí)磨損機(jī)制為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，并伴隨著開裂。
　　(3)不同于常規(guī)彎曲疲勞，彎曲微動(dòng)疲勞的裂紋萌生于次表層，裂紋源常伴隨雜質(zhì)顆?；虻诙?。影響彎曲微動(dòng)疲勞過程的主要因素包括：材料性質(zhì)、交變載荷、接觸應(yīng)力、接觸幾何、加載速率(頻率)等。
　　(4)微動(dòng)疲勞裂紋的擴(kuò)展分為三個(gè)階段，即：階段Ⅰ

6、-裂紋擴(kuò)展受接觸應(yīng)力控制，擴(kuò)展方向與接觸表面呈一定角度(～60°)，主裂紋同時(shí)與獨(dú)立擴(kuò)展的表面傾斜裂紋溝通；階段Ⅱ-裂紋擴(kuò)展受接觸應(yīng)力和疲勞應(yīng)力共同控制，擴(kuò)展角度轉(zhuǎn)向垂直接觸表面方向；階段Ⅲ-裂紋擴(kuò)展僅受疲勞應(yīng)力控制，擴(kuò)展行為與常規(guī)疲勞一致，其擴(kuò)展方向垂直于接觸表面。
　　(5)微動(dòng)疲勞的損傷區(qū)顯微組織和亞結(jié)構(gòu)與材料的原始組織關(guān)系密切。TEM分析揭示，顯微組織和亞結(jié)構(gòu)的演變分兩種類型。對于BCC結(jié)構(gòu)的鋼鐵材料和高層錯(cuò)能FCC結(jié)構(gòu)的