LZ50車軸鋼的隨機(jī)疲勞短裂紋行為研究.pdf

1、疲勞短裂紋的擴(kuò)展過程，占光滑表面結(jié)構(gòu)服役壽命的70％～90％。在有關(guān)理論尚不完善與成熟的情況下，研究這一課題具有重要的科學(xué)意義與工程指導(dǎo)意義。本學(xué)位論文通過完成鐵路LZ50車軸鋼材料及旋削-滾壓維修工藝試樣的疲勞短裂紋復(fù)型試驗(yàn)，開展了如下研究工作：
　　 1.通過對表面未經(jīng)滾壓處理試樣(未滾壓試樣)的試驗(yàn)研究，揭示了LZ50鋼的兩種微觀結(jié)構(gòu)障礙疲勞損傷機(jī)制。
　　 研究表明，疲勞短裂紋萌生于試樣表面的鐵素體。在微觀結(jié)構(gòu)短

2、裂紋(MSC)階段，主導(dǎo)有效短裂紋(DESFC)在擴(kuò)展過程中出現(xiàn)兩次較明顯降速。第一次降速出現(xiàn)在短裂紋萌生后，擴(kuò)展遇到晶界。第二次降速出現(xiàn)在DESFC突破鐵素體晶界障礙約束后，擴(kuò)展遇到富珠光體帶狀結(jié)構(gòu)。而DESFC突破富珠光體帶狀結(jié)構(gòu)約束，它的主導(dǎo)地位迅速確立，疲勞短裂紋擴(kuò)展進(jìn)入物理短裂紋(PSC)階段。從此時起，直到出現(xiàn)常規(guī)觀測手段可見的長裂紋及最終試樣斷裂，裂紋擴(kuò)展速率持續(xù)隨機(jī)增加，無明顯障礙特征。兩次降速最低點(diǎn)對應(yīng)的平均DESFC

3、表面長度分別為14.77μm和107.11μm，分別接近材料平均鐵素體直徑(14.61μm)和富珠光體帶狀結(jié)構(gòu)間距(109.09μm)，這說明LZ50鋼的疲勞損傷具有兩種微觀結(jié)構(gòu)障礙機(jī)制。
　　 2.引入微觀結(jié)構(gòu)障礙阻力系數(shù)函數(shù)，發(fā)展了新的多微觀結(jié)構(gòu)障礙疲勞短裂紋擴(kuò)展率模型及其概率表征方法；并結(jié)合長裂紋試驗(yàn)結(jié)果，引入當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度因子，提出了疲勞長、短裂紋擴(kuò)展率統(tǒng)一模型及其概率方程。
　　 阻力系數(shù)反映了裂尖距離微觀障礙越

4、近，裂紋所受擴(kuò)展阻力越強(qiáng)的特點(diǎn)。裂紋一旦突破前一障礙的約束，立即進(jìn)入下一障礙影響范圍內(nèi)，重復(fù)受阻過程，具有周期性特征。隨著裂紋尺度增大，擴(kuò)展驅(qū)動力不斷增強(qiáng)，微觀障礙作用的影響效果持續(xù)減弱。本文提出的短裂紋擴(kuò)展率模型繼承有效短裂紋準(zhǔn)則思想，以遠(yuǎn)場總循環(huán)應(yīng)變能密度△Wt與DESFC尺度α的乘積為裂紋驅(qū)動力參量；模型包含材料多種微觀結(jié)構(gòu)障礙特征尺度參量，利用阻力系數(shù)函數(shù)反映裂紋擴(kuò)展過程中的減速現(xiàn)象。通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了LZ50鋼短裂紋擴(kuò)展

5、率模型的概率參量及曲線，驗(yàn)證了模型的有效性。進(jìn)一步，考慮到從短裂紋到長裂紋的擴(kuò)展，其行為在客觀上是一個連續(xù)發(fā)展的物理過程，通過拓展小范圍屈服條件下J積分與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，引入能同時描述長、短裂紋擴(kuò)展的彈塑性驅(qū)動力——當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度因子△Keq，在短裂紋擴(kuò)展率模型基礎(chǔ)上，發(fā)展了包含多微觀結(jié)構(gòu)障礙的長、短裂紋擴(kuò)展率統(tǒng)一模型。對未滾壓短裂紋試樣和長裂紋試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，驗(yàn)證了統(tǒng)一模型的有效性。
　　 3.通過對不同時刻旋削與滾

6、壓試樣及未滾壓試樣的試驗(yàn)對比研究，發(fā)現(xiàn)對未經(jīng)滾壓的試樣，越早實(shí)施滾壓處理，獲得的延壽效果越好。通過引入滾壓效應(yīng)函數(shù)M(f)，對未滾壓試樣短裂紋擴(kuò)展率模型進(jìn)行修正，發(fā)展了可考慮滾壓時刻對擴(kuò)展速率影響的新模型。
　　 滾壓在試樣表層和近表層產(chǎn)生了約235～100 MPa的周向殘余壓應(yīng)力，和約316～132MPa的軸向殘余壓應(yīng)力，可降低試驗(yàn)時的有效疲勞應(yīng)力；同時，提高了材料表面的顯微硬度，滾壓后鐵素體、珠光體的硬度分別較未滾壓試樣提高