【摘要】： 傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)理念認(rèn)為，載荷循環(huán)周次在10~7以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有無(wú)限疲勞壽命，通常以10~7循環(huán)周次所對(duì)應(yīng)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)做為強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)。但是隨著機(jī)械設(shè)備向高速大型化發(fā)展，許多機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)，如高速鐵路的機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)及零部件，核電站散熱器管道，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等在承受10~7～10~(10)周次的應(yīng)力循環(huán)載荷后的超高周階段，仍然發(fā)生疲勞破壞。傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范和壽命預(yù)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足超高周區(qū)域機(jī)械設(shè)備的使用要求，所以有必要對(duì)常用的結(jié)構(gòu)鋼種進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)，得到超高周疲勞數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)施以及以后待建項(xiàng)目的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、安全評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)都有非常重要的工程意義。 本文以16Mn結(jié)構(gòu)鋼，304不銹鋼，42CrMo鋼為研究對(duì)象，用超高周疲勞試驗(yàn)方法，進(jìn)行了10~4-10~(10)壽命范圍內(nèi)的超高周疲勞行為的研究。通過(guò)超高周疲勞試驗(yàn)得到三種材料在試驗(yàn)下的S-N曲線，分析了S～N曲線的特征，用掃描電子顯微分析方法(Scanning Electron Microscopy)研究了三種結(jié)構(gòu)鋼的疲勞斷裂行為和疲勞斷裂機(jī)理，分析了裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)鋼S-N曲線均具有階梯型下降特征，不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限，16Mn結(jié)構(gòu)鋼在10~7循環(huán)周次以下高周疲勞階段和10~7循環(huán)周次以上超高周疲勞階段，疲勞裂紋源均在試樣表面萌生。而304不銹鋼，42CrMo鋼在10~7循環(huán)周次以下高周疲勞階段，疲勞裂紋從試樣表面萌生，10~7循環(huán)周次以上超高周疲勞階段疲勞裂紋多在試樣次表面缺陷處萌生。16Mn結(jié)構(gòu)鋼和42CrMo鋼疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)制對(duì)高周和超高周疲勞而言沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。而304不銹鋼第一擴(kuò)展區(qū)形貌與傳統(tǒng)定義的第一擴(kuò)展形貌有著明顯的不同，進(jìn)而定義了304不銹鋼超高周疲勞的第一擴(kuò)展區(qū)。 研究了加載頻率對(duì)16Mn結(jié)構(gòu)鋼的疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)16Mn結(jié)構(gòu)鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)存在塑性很差的滲碳體是導(dǎo)致超高周疲勞性能降低的主要原因。 通過(guò)掃描電子顯微分析方法(Scanning Electron Microscopy)和X衍射分析(X-ray diffractometer)發(fā)現(xiàn)在304不銹鋼的超高周試驗(yàn)中存在裂尖應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，分析了產(chǎn)生相變的原因。 推導(dǎo)了304不銹鋼管道流固耦合方程，并對(duì)管道使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。為管道疲勞設(shè)計(jì)提供一種可行的方法。 通過(guò)比較分析40Cr鋼，42CrMo4鋼的超高周疲勞S～N曲線，發(fā)現(xiàn)合金元素Mo提高了材料超高周疲勞性能。并結(jié)合Mo在合金化中的作用，分析提高材料超高周疲勞性能的微觀機(jī)理。 從微觀角度分析本文三種結(jié)構(gòu)鋼沒(méi)有出現(xiàn)典型內(nèi)部萌生機(jī)制的原因。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：TG142.15
【圖文】：

shinzawallZ一l’l等人用頻率為3150r/m(f=52.SHz)四軸懸臂旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)suJZ等高強(qiáng)鋼進(jìn)行了超高周疲勞性能研究，在1了一109周次范圍內(nèi)，高強(qiáng)鋼的疲勞S一N曲線如圖1一1所示。Murakamil‘5一1刀等人用30一100比的拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)得到的高強(qiáng)鋼的疲勞S一N曲線呈現(xiàn)階梯下降型，如圖1一2所示。由于超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)具有很高的頻率，可以在很短的時(shí)間內(nèi)使試驗(yàn)周次達(dá)到1護(hù)周次，因此學(xué)者們用超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)對(duì)大量材料進(jìn)行了超高周疲勞性能研究，測(cè)出的疲勞S一N曲線或呈連續(xù)下降型(如40c:鋼tls]、LY12鋁合金119】{LY10鋁合金[z0l、20對(duì)邢51鋁合金[2‘l、低溫回火Jls一sNeM439鋼【221、球墨鑄鐵‘23，241、555。彈簧鋼125，26]等)，或呈階梯下降型(如50鋼[271、54se6彈簧鋼[27

由S一N曲線可見(jiàn)，在超高周范圍內(nèi)，材料己不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限，只有條件疲勞極限，即指定壽命的疲勞強(qiáng)度。因此，用傳統(tǒng)意義上的疲勞極限進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)不能保證構(gòu)件的安全性和設(shè)計(jì)的精確性，有必要研究107周次以后材料的疲勞性能。.3.2超高周疲勞裂紋萌生機(jī)理低周和高周疲勞試驗(yàn)表明，疲勞斷裂總是開(kāi)始于零件關(guān)鍵部位應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)材料的循環(huán)塑性應(yīng)變，通常疲勞裂紋在試樣的表面萌生:__超聲疲勞實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到的材料超高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)力幅很低的情況下，試樣仍會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。試樣疲勞斷口掃描電鏡分析結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力較高、壽命較短的第一次下降階段，疲勞裂紋通常在試樣的表面缺陷處萌生;而對(duì)應(yīng)于應(yīng)力較低，壽命很長(zhǎng)的超高周階段，疲勞裂紋則大多在試樣的次表面、內(nèi)部夾雜、空洞等微觀缺陷處萌生【24一26】，參照?qǐng)D1一3和圖1一4。能譜分析表明，

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 史展飛;李玉龍;索濤;劉元鏞;曾寧;劉小冬;;載荷頻率對(duì)金屬及其合金高周疲勞特性的影響[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào);2009年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 代景安;金屬薄板材料超聲彎曲疲勞試驗(yàn)研究[D];西南交通大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2723955