【摘要】：隨著航空航天領(lǐng)域的高端裝備技術(shù)的發(fā)展,滾動軸承會面臨更加嚴苛的工況條件,如重載荷的交替作用、持續(xù)的過載作用、摩擦副間潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變等。復(fù)雜的工況條件會造成滾動軸承摩擦副表面的高接觸應(yīng)力和高剪切應(yīng)力,導(dǎo)致軸承鋼摩擦副表面接觸疲勞損傷加速,造成滾動軸承的早期失效,嚴重影響裝備的安全使用。目前M50高溫軸承鋼已經(jīng)成為主要的技術(shù)發(fā)展方向。M50鋼中的合金元素含量更高,相比于傳統(tǒng)軸承鋼具有更好的熱硬性。但合金元素易與碳元素形成碳化物,碳化物具有顆粒大和易碎裂等特點,同時M50鋼對內(nèi)部空洞和夾雜等高度敏感。因此,開展M50鋼摩擦副的疲勞損傷機理研究,建立M50軸承鋼的壽命評價體系具有重要意義。采用晶格有限元法模擬接觸微區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)及尺寸,建立了包含非規(guī)則形狀夾雜的有限元和疲勞損傷相結(jié)合的復(fù)合表征模型。該模型不必依托于疲勞裂紋的尺寸,考慮了載荷作用次序效應(yīng)和材料宏觀參數(shù)的影響,具有很好的使用價值。結(jié)合現(xiàn)有的滾動軸承擬動力學(xué)分析手段,研究了外載荷、潤滑狀態(tài)對均勻材料的疲勞損傷的影響規(guī)律,確定了滾動軸承服役過程中的安全載荷臨界值。當外載荷值小于該臨界值時,滾動軸承服役過程中材料內(nèi)部不產(chǎn)生疲勞損傷。研究了夾雜彈性模量、尺寸、深度等相關(guān)參數(shù)對應(yīng)力分布和疲勞損傷的影響規(guī)律。結(jié)果表明,夾雜高的彈性模量、大的尺寸和淺的深度都會造成更嚴重的疲勞損傷,加速M50鋼材料的疲勞失效,根據(jù)計算結(jié)果,得到了夾雜對M50軸承鋼材料疲勞損傷無影響的尺寸和深度臨界值。建立了包含接觸微區(qū)真實微觀夾雜的有限元分析模型。結(jié)果表明,形狀復(fù)雜的夾雜引起的疲勞損傷更嚴重。對接觸微區(qū)含大量夾雜的真實形貌的研究結(jié)果表明,疲勞裂紋起源于夾雜間的應(yīng)力集中位置,表面摩擦系數(shù)的增加會促使疲勞裂紋向接觸表面擴展;深度超過一定值時,夾雜引起的應(yīng)力集中效應(yīng)減弱,甚至不會有疲勞損傷產(chǎn)生;夾雜彈性模量增大時,疲勞裂紋會擴展到更深的位置。分析結(jié)果對M50鋼熱處理工藝具有指導(dǎo)意義,對大尺寸碳化物進行細化,能夠有效地減輕其對軸承鋼造成的疲勞損傷。分析了強化載荷高周循環(huán)接觸對M50軸承鋼材料循環(huán)硬化作用和噴丸與離子注入復(fù)合改性條件對殘余應(yīng)力分布的影響,探究了其對疲勞損傷和疲勞壽命的影響規(guī)律。強化載荷的循環(huán)作用和殘余壓應(yīng)力分別提高了材料的循環(huán)硬化系數(shù)和應(yīng)力幅值,降低了軸承鋼材料的疲勞損傷累積速率,延長了疲勞壽命。分析了表面粗糙形貌對接觸微區(qū)疲勞損傷和裂紋擴展的影響。分析結(jié)果表明橫向紋理表面、負偏度值、較小的均方根值和峰度值都能延緩裂紋擴展,延長材料疲勞壽命�；旌蠞櫥瑫䦟�(dǎo)致接觸區(qū)域局部產(chǎn)生高壓應(yīng)力和高摩擦力。局部高摩擦力區(qū)域摩擦系數(shù)的增加會導(dǎo)致裂紋擴展速度加快,疲勞壽命急劇減小;局部高摩擦力區(qū)域的半徑增加同樣會導(dǎo)致疲勞壽命減小,但當半徑超過一定值時,疲勞壽命基本保持穩(wěn)定。采用球-盤式疲勞試驗機完成了M50鋼試件在不同加載條件下的接觸疲勞試驗。高-低載荷作用下,表面出現(xiàn)了更多的疲勞點蝕坑,表面發(fā)生了更嚴重的損傷。采用本文建立的模型分析了兩種載荷次序下表面的損傷情況,模型的分析結(jié)果與試驗結(jié)果相近,能夠反映載荷作用次序效應(yīng),證明了模型的可靠性。進一步研究了夾雜引起的裂紋擴展方向與滾動方向(摩擦力方向)的關(guān)系,證明了裂紋擴展方向只與摩擦力方向相關(guān),其他因素只會影響裂紋的形狀及深度。對M50鋼的疲勞壽命理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果相近,證明了模型可以對軸承鋼疲勞壽命進行預(yù)測。
【圖文】：

建立了有限元模型，計算了缺陷附近的應(yīng)力分布，如圖1-4 所示�？梢钥闯�，缺陷的長度和位置對應(yīng)力分布有很大的影響[30]。(a) 凹痕形貌 (b) 凹痕處應(yīng)力集中(a) Dent morphology (b) Stress concentration induced by dent圖 1-3 凹痕對應(yīng)力的影響[28]Fig.1-3 Effect of dent on stress distribution[28](a) 法向主應(yīng)力(a) Principal stress(b) 剪切應(yīng)力(b) Shear stress圖 1-4 缺陷處的應(yīng)力分布[30]Fig.1-4 Stress distribution induced by defect[30]

圖 1-8 X 光提取夾雜形貌及應(yīng)力計算[57]. 1-8 Morphology extraction by X-ray technique and stress calculatio
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V229.2;TG142.1

【參考文獻】

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本文編號：2708652