微動(dòng)疲勞損傷廣泛存在于航空航天、鐵路、核電等領(lǐng)域,并成為許多重大設(shè)備關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一。大量工業(yè)實(shí)踐表明,機(jī)械構(gòu)件的疲勞壽命由于微動(dòng)損傷作用將出現(xiàn)大幅的下降,而關(guān)鍵性零部件的提前失效帶來的事故也將是災(zāi)難性的。在微動(dòng)的研究領(lǐng)域,根據(jù)構(gòu)件受載荷方式不同,往往將微動(dòng)疲勞簡化為三種簡單的基本模式:即拉-壓(拉)微動(dòng)疲勞、彎曲微動(dòng)疲勞和扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞,而實(shí)際工況中零部件所受到的載荷形式通常是其中兩者甚至是三者之間的相互耦合。目前,國內(nèi)外學(xué)者對微動(dòng)疲勞領(lǐng)域的研究大多集中在拉-壓(拉)微動(dòng)疲勞和彎曲微動(dòng)疲勞,而對扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞的研究報(bào)道卻較少。因此,系統(tǒng)研究扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞行為并揭示其失效機(jī)理,不僅對認(rèn)識扭轉(zhuǎn)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,并可對抗扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞損傷失效的工程運(yùn)用具有一定理論指導(dǎo)意義。本研究基于拉-扭多軸疲勞試驗(yàn)機(jī),自主設(shè)計(jì)了一套能保持恒定載荷的法向氣動(dòng)加載裝置。試驗(yàn)采用圓柱/圓柱垂直交叉的點(diǎn)接觸方式,在不同扭轉(zhuǎn)載荷、法向載荷和循環(huán)周次下,對316L奧氏體不銹鋼和LZ50車軸鋼兩種不同晶體結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞試驗(yàn),得到了兩種材料的普通疲勞和微動(dòng)疲勞S~N曲線。利用了光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜儀(EDX)、X射線光電子能譜(XPS)、電子探針(EPMA)、透射電子顯微鏡(TEM)和白光干涉三維形貌儀對試驗(yàn)后的微動(dòng)疲勞接觸損傷區(qū)、損傷區(qū)剖面、疲勞斷口和損傷區(qū)微觀組織進(jìn)行了分析,系統(tǒng)研究了兩種典型金屬材料扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞行為和損傷機(jī)理,獲得的主要結(jié)論如下:(1)對比常規(guī)扭轉(zhuǎn)疲勞,扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞壽命大大降低,壽命下降20%~80%,甚至更低。扭矩載荷幅值對扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞的壽命有著顯著的影響,隨著扭矩載荷幅值的增加,材料的微動(dòng)疲勞壽命呈現(xiàn)先下降后上升,最后再下降的變化趨勢。對應(yīng)S-N曲線的特征,根據(jù)微動(dòng)圖理論,可將扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞的微動(dòng)運(yùn)行行為劃分為三個(gè)微動(dòng)運(yùn)行區(qū):部分滑移區(qū)(PSR)、混合區(qū)(MFR)和完全滑移區(qū)(SR)。微動(dòng)運(yùn)行在部分滑移區(qū)時(shí),微動(dòng)損傷較為輕微,疲勞壽命較長;微動(dòng)運(yùn)行處于混合區(qū)時(shí),裂紋最容易萌生和擴(kuò)展,疲勞壽命最低;微動(dòng)運(yùn)行在完全滑移區(qū)時(shí),運(yùn)行相對位移較大,材料的磨損速率高于裂紋形核速率,材料的微觀裂紋被去除而抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展,當(dāng)微動(dòng)處于這一運(yùn)行區(qū)時(shí),疲勞壽命相對混合區(qū)反而得以延長。當(dāng)扭轉(zhuǎn)載荷幅值繼續(xù)增加時(shí),微動(dòng)對材料疲勞壽命影響減弱,循環(huán)疲勞應(yīng)力對材料疲勞壽命起主導(dǎo)作用。因此,材料的疲勞壽命隨著循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷幅值的增大而減小。(2)材料的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞失效后主要呈現(xiàn)為45°斜角特征的斷口。微動(dòng)疲勞裂紋萌生于微動(dòng)接觸區(qū)的次表面,并且沿著試樣表面與試樣軸線成45°角擴(kuò)展,最終沿45°斜面斷裂。疲勞試樣在扭轉(zhuǎn)載荷作用下,單元體在α=45°斜截面上的正應(yīng)力取得最大值。對于剪切強(qiáng)度高于拉伸強(qiáng)度的材料,破壞是由試樣的最外層沿著與試樣的軸線成45°斜角的螺旋型曲面發(fā)生拉斷而產(chǎn)生的,因此疲勞斷口呈45°斜面。(3)在混合區(qū),材料的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損、疲勞磨損和剝層。扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞初始階段,材料損傷較為輕微,損傷區(qū)可發(fā)現(xiàn)犁溝和少量的氧化物磨屑,損傷區(qū)形呈環(huán)形狀態(tài);隨著疲勞循環(huán)周次的增加,損傷區(qū)的磨損加重,出現(xiàn)了剝落和磨屑堆積的現(xiàn)象,損傷區(qū)靠近加載端一側(cè)的損傷更加嚴(yán)重,此時(shí)磨損機(jī)制為磨粒磨損、氧化磨損和剝層;隨著疲勞循環(huán)周次的進(jìn)一步增加,微動(dòng)損傷繼續(xù)加劇。在損傷區(qū)表面靠近加載端一側(cè)萌生微觀裂紋,損傷區(qū)的磨損也進(jìn)一步加劇;微動(dòng)疲勞試驗(yàn)的最后階段,損傷區(qū)已形成宏觀疲勞裂紋,該階段的磨損機(jī)制仍然以磨粒磨損、氧化磨損和剝層為主。(4)在相同法向載荷作用下,隨著循環(huán)扭矩幅值的增加,摩擦系數(shù)穩(wěn)定階段的數(shù)值也同時(shí)增加。在扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中,不同循環(huán)扭矩幅值作用下,摩擦系數(shù)總體變化趨勢一致。循環(huán)扭矩幅值越高,摩擦系數(shù)更快的達(dá)到相對最大值,隨后進(jìn)入平穩(wěn)階段。同時(shí)摩擦系數(shù)同扭轉(zhuǎn)角度存在一定的關(guān)系,兩者的變化趨勢一致。在不同法向載荷作用下,摩擦系數(shù)曲線發(fā)生變化;法向載荷越大,摩擦系數(shù)穩(wěn)定值越小,摩擦系數(shù)曲線也更加平順。(5)扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞損傷區(qū)的微觀組織演變與材料晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。TEM分析結(jié)果表明,對于面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼,其位錯(cuò)組態(tài)的演變規(guī)律隨著載荷幅值的增加由孿晶變形機(jī)制向著位錯(cuò)胞變形機(jī)制轉(zhuǎn)變。而對于體心立方結(jié)構(gòu)的碳鋼,其微觀位錯(cuò)組態(tài)的演變主要表現(xiàn)為位錯(cuò)的纏結(jié)、堆積、攀移,最后以位錯(cuò)胞的形成和變形為主。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG111.8
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 微動(dòng)摩擦學(xué)及其相關(guān)理論
        1.2.1 微動(dòng)的基本概念
        1.2.2 微動(dòng)疲勞運(yùn)行模式
    1.3 微動(dòng)疲勞研究現(xiàn)狀
        1.3.1 微動(dòng)疲勞研究進(jìn)展
        1.3.2 微動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置及影響因素
    1.4 扭轉(zhuǎn)疲勞的研究背景及其現(xiàn)狀
        1.4.1 圓柱體的扭轉(zhuǎn)問題
        1.4.2 扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞的工程實(shí)例
    1.5 本文的選題意義和研究內(nèi)容
        1.5.1 本文選題意義
        1.5.2 本文研究內(nèi)容
第2章 試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)材料
    2.1 扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺及操作流程簡介
    2.2 試驗(yàn)參數(shù)
    2.3 微動(dòng)墊及試驗(yàn)材料
        2.3.1 材料的選擇
        2.3.2 金相組織
    2.4 微觀分析方法
        2.4.1 損傷區(qū)輪廓分析
        2.4.2 損傷區(qū)形貌分析
        2.4.3 損傷區(qū)化學(xué)成分分析
        2.4.4 損傷區(qū)剖面分析
        2.4.5 疲勞斷口分析
        2.4.6 損傷區(qū)微觀結(jié)構(gòu)表征
    2.5 本章小結(jié)
第3章 316L奧氏體不銹鋼扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞行為研究
    3.1 S-N曲線
    3.2 微動(dòng)損傷區(qū)分析
        3.2.1 部分滑移區(qū)
        3.2.2 混合區(qū)
        3.2.3 完全滑移區(qū)
        3.2.4 損傷區(qū)剖面分析
    3.3 疲勞特性及損傷累積行為
        3.3.1 疲勞斷口分析
        3.3.2 損傷累積過程
        3.3.3 扭轉(zhuǎn)角度
        3.3.4 摩擦系數(shù)
    3.4 損傷區(qū)微觀組織演變及化學(xué)成分分析
        3.4.1 損傷區(qū)微觀組織演變分析
        3.4.2 損傷區(qū)化學(xué)成分分析
    3.5 法向載荷對扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞損傷的影響
        3.5.1 法向載荷對疲勞壽命的影響
        3.5.2 法向載荷對疲勞斷口的影響
        3.5.3 法向載荷對微動(dòng)損傷區(qū)的影響
    3.6 本章小結(jié)
第4章 LZ50車軸鋼扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞行為研究
    4.1 S-N曲線
    4.2 微動(dòng)損傷區(qū)分析
        4.2.1 部分滑移區(qū)
        4.2.2 混合區(qū)
        4.2.3 完全滑移區(qū)
        4.2.4 損傷區(qū)剖面分析
    4.3 疲勞特性及損傷累積行為
        4.3.1 微動(dòng)疲勞斷口分析
        4.3.2 扭轉(zhuǎn)角度
        4.3.3 摩擦系數(shù)
        4.3.4 損傷累積過程
    4.4 損傷區(qū)微觀組織演變分析
        4.4.1 疲勞載荷對微觀組織演變的影響
        4.4.2 循環(huán)周次對微觀組織演變的影響
    4.5 法向載荷扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞損傷的影響
        4.5.1 法向載荷對疲勞壽命的影響
        4.5.2 法向載荷對摩擦系數(shù)的影響
        4.5.3 法向載荷對微動(dòng)損傷區(qū)的影響
    4.6 本章小結(jié)
第5章 材料特性的影響
    5.1 微動(dòng)疲勞壽命
    5.2 微動(dòng)疲勞斷口
    5.3 扭轉(zhuǎn)角度和摩擦系數(shù)
        5.3.1 扭轉(zhuǎn)角度
        5.3.2 摩擦系數(shù)
    5.4 微觀組織位錯(cuò)演變機(jī)制
    5.5 扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞損傷機(jī)制
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
    論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下
    論文研究主要結(jié)論總結(jié)如下
    研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果

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本文編號：2871619