王弘[1]2004年在《40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨》文中提出在现代工业机械设备中，许多零部件在低应力超长寿命条件下工作，服役期内需要承受循环载荷的作用达到10~9～10~(10)循环周次。目前通用的疲劳强度设计规范和寿命预测模型一般都建立在10~7(或10~8)循环周次以下的疲劳试验数据基础上。为提高超长寿命条件下工作的零部件强度设计的可靠性和精确性，保障结构运行的安全，有关材料在10~7循环周次以上的疲劳性能和疲劳破坏行为的研究已引起工程界的高度重视。 用现有的常规疲劳试验方法完成10~7～10~(10)超高周次范围内疲劳试验要耗费大量的时间和费用，为此，本文对一种加速疲劳试验技术(超声疲劳试验技术)进行了开发研究，在对称拉压超声疲劳试验装置基础上，开发研制了非对称拉压超声疲劳试验装置和叁点弯曲超声疲劳试验装置，分析了影响超声疲劳试验过程和试验精度的因素，这些研究成果对超声疲劳试验技术的推广应用和试验的标准化、规范化工作具有指导意义。在超声疲劳试验技术研究和开发的基础上，本文采用超声疲劳试验方法，结合扫描电镜断口微观分析，对40Cr钢和50车轴钢光滑试样和缺口试样在超高周疲劳范围内的疲劳性能和疲劳断裂机制进行了研究，获得了以下研究成果： 对40Cr钢和50车轴钢光滑试样和缺口试样在10~5～10~(10)循环周次范围内的S-N曲线测定结果显示，调质热处理的40Cr钢在10~5～10~(10)循环周次范围内的S-N曲线呈现“连续下降型”特征，在10~7循环周次附近不存在传统概念上的水平平台，在超过10~7循环周次后，试样仍然发生疲劳断裂。正火热处理的50车轴钢在10~5～10~(10)循环周次范围内的S-N曲线呈现“阶梯下降型”特征，S-N曲线在10~6～10~8周次范围内出现一段水平平台，超过10~8循环周次，S-N曲线第二次下降，表明在平台对应的应力幅以下超高周疲劳范围内，50钢试样仍然会发生疲劳断裂。试样断口显微分析显示，在10~7周次以下的疲劳断裂，疲劳裂纹在试样表面萌生；而在10~7以上超高周范围内的疲劳断裂，疲劳裂纹主要在试样内部或次表面材料夹杂处萌生。表明40Cr钢和50车轴钢的疲劳断裂存在疲劳裂纹表面萌生和疲劳裂纹内部萌生两种机制，分别对应不同的S-N曲线，通过两种机制对应的S-N曲线在试验研究范围内的位置关系可以描述材料的S-N曲线的形状特征，本文将这种描述方法称为“双曲线模型”。 对缺口试样疲劳性能的研究结果显示，在10~5～10~(10)循环周次范围内，第日页西南交通大学博士研究生学位论文缺口应力集中对40Cr钢和50钢疲劳性能的影响呈现“阶段性特征”，疲劳缺口系数随疲劳循环周次的变化在107循环周次附近存在一个临界循环周次Nc(或临界范围)，对应一个最大的疲劳缺口系数;当疲劳循环断裂周次玛 王弘, 高庆[2]2006年在《40 Cr钢和50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨》文中研究指明在对称拉压超声疲劳试验装置基础上,开发研制非对称拉压超声疲劳试验装置和叁点弯曲超声疲劳试验装置。采用超声疲劳试验方法,结合扫描电镜断口微观分析,对40 Cr钢和50车轴钢光滑试样和缺口试样,在超高周疲劳范围内的疲劳性能和疲劳断裂机制进行研究,主要研究成果 闫桂玲[3]2005年在《非对称超高周疲劳实验研究》文中研究说明已有许多研究成果显示,材料在10~7周次以上超高周疲劳阶段仍然发生疲劳断裂,值得注意的是各种动力机械的构件在服役期实际承受的疲劳循环周次已远高于10~7周次,甚至达到了10~9～10~(10)周次,因此用传统的10~7周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不安全。近二十年来,借助于超声疲劳试验技术开展的超长寿命疲劳研究(10~8周次以上)倍受人们关注,在国际上得到了较快发展,成为了疲劳研究的热点问题。近二十年来发表的文献,材料超高周范围内的疲劳研究主要集中在对称拉压加载下材料疲劳S-N曲线形状特征、疲劳断口观察、超高周疲劳行为和疲劳断裂机理的研究上,然而对于实际工程构件,常常是在非对称载荷下工作的,常规疲劳试验表明,平均应力对构件的疲劳性能有很大的影响。因此,对材料进行10~7周次以上的非对称加载下的疲劳性能研究尤为重要。 本文对现有的对称拉压超声疲劳试验系统进行了改进,开发了叁点弯曲超声疲劳试验系统和非对称拉压超声疲劳试验系统;利用超声疲劳试验系统对50钢进行了含有平均应力的叁点弯曲疲劳试验和非对称拉压疲劳试验,研究超声频率加载下弯曲平均应力和拉压平均应力对其疲劳性能的影响,得到超声频率加载下描述平均应力影响的模型;用扫描电子显微分析方法(Scanning Electron Microscopy)和X射线能谱分析方法(Energy Dispersive Atomic X-ray)对疲劳断口形貌进行显微分析,研究了50钢的疲劳断裂行为和疲劳断裂机理,确定夹杂的成分。同时,对高温回火和中温回火50钢进行了对称拉压试验,研究了热处理工艺对其超高周疲劳性能的影响。 50钢10~4～10~(10)周次的非对称拉压疲劳试验和10~6～10~9周次的叁点弯曲疲劳试验结果显示:超声频率加载下平均应力对50钢疲劳性能有显着的影响,在应力幅相同的情况下,随着平均应力σ_m的增大,疲劳寿命降低;常规疲劳用于描述平均应力影响的Goodman关系仍能很好的描述超声频率加载下一定寿命的应力幅值和平均应力的配合;常规疲劳用于描述平均应力影响的Morrow关系虽能描述高周(<10~7周次)范围内拉伸平均应力对50钢疲劳性能的影响,但是不能用来描述超高周范围拉伸平均应力和弯曲平均应力对50钢疲劳性能的影响。 50钢疲劳断口显微分析显示:疲劳裂纹存在两种裂纹萌生机制,在寿命小于10~7周次的低周高周阶段,疲劳裂纹在试样表面萌生;在寿命大于10~7周次的超高周阶段,疲劳裂纹从内部夹杂(缺陷)处萌生。夹杂周围都有黑区,黑区 周蒙蛟[4]2017年在《应力幅间交互作用对结构钢超高周变幅疲劳性能的影响及微观机理的研究》文中研究指明随着我国高铁建设的迅猛发展,对高铁用材料的基础性能研究提出了更高的要求,其中材料的超高周疲劳性能日渐被工程界及研究人员所重视。多数机械、建筑及其构件(如火车,汽车,桥梁,铁路等)在服役中不但承受变幅循环载荷,同时还要承受极大数量的“疲劳极限”以下小载荷的作用,这些小载荷的循环周次往往达到10~9周甚至更高。超声疲劳试验方法作为一种可靠的加速疲劳试验方法,在进行10~7周及以上循环周次的超高周疲劳性能研究方面有着巨大的优势,并且通过多年的积累在超高周疲劳行为的研究方面取得了丰富的成果,为现有的疲劳设计规范提出了大量宝贵的经验。50CrVA钢作为动车弹簧用材料,LZ50钢作为车轴用材料,都是重要的结构材料,用量大,安全性要求高。本文采用超声疲劳试验方法,结合扫描电镜、微区成份测试等微观分析技术手段,对LZ50钢和两种不同热处理状态的50CrVA高强弹簧钢在超高周疲劳范围内的恒幅及变幅疲劳性能与断裂机理进行了研究。恒幅疲劳试验研究结果表明:材料微观组织结构的不同决定了其S-N曲线形态和超高周疲劳裂纹萌生方式的差异。本文分析认为,在超高周疲劳阶段,疲劳裂纹表面萌生是由于材料表面个别晶粒承受应力集中产生塑性变形,塑性变形累积发展导致材料疲劳破坏;而疲劳裂纹内部萌生是由于在夹杂物周围高应力区间隙碳原子富集析出的碳化物颗粒与冶炼造成偏析的碳化物颗粒致使微裂纹萌生,微裂纹向夹杂物方向合并长大,当长大到一定程度时致使夹杂物快速脱粘形成撕裂棱或撕裂台阶,经过一段时间的调整后形成完整的GBF区,最终形成可扩展的宏观裂纹。两种裂纹萌生方式在超高周疲劳阶段均可能发生,并存在竞争机制。在超高周恒幅疲劳试验的基础上,本文还对试验材料的超高周变幅疲劳性能进行了研究。试验结果显示,预加载历程对终级应力下材料的疲劳性能存在影响,即存在应力交互作用。通过对LZ50钢的超高周变幅疲劳研究发现,经过较低应力循环预加载的试样,其疲劳性能有了明显的提高。退火态50CrVA钢在经历低于终极应力的预加载后也表现出强化的特征,但强化效果不如LZ50钢显着。而淬火回火态50CrVA钢经历预加载总体表现出弱化特征,强化效果仅在个别预加应力幅值点有不显着的表现。本文将这种预加载对材料疲劳性能的影响定义为“应力时效”。结合对材料微观组织结构的分析本文认为“应力时效”至使材料强化的机理为:铁素体中的间隙碳原子与位错产生弹性交互作用,吸引间隙原子向位错周围迁移,预加载过程使位错能量场升高,提高了间隙原子在位错线周围的富集浓度,增强了位错的钉扎作用,提高了材料塑性变形抗力,从而使疲劳性能得到强化。综合试验研究结果,基于应力交互作用对疲劳性能的影响,本文引入应力时效作用影响因子,建立了超高周变幅疲劳寿命模型。通过对试验结果的分析,验证了模型的合理性。并分析了影响超高周变幅疲劳性能的因素,对超高周变幅疲劳强化机理方面进行了深入探讨。 宋亚南, 徐滨士, 王海斗, 邢志国[5]2015年在《金属材料超高周疲劳的试验方法及失效特征》文中研究表明超高周疲劳是指材料经受1×10~7循环周次以上而发生断裂损伤的疲劳行为,彻底打破材料"无限寿命"的传统观点,逐渐成为疲劳研究领域一个新的热点问题。回顾近几十年国内外的研究成果,总结了超声疲劳试验方法的进展和应用,分析了金属材料超高周疲劳S-N曲线的典型特征以及内部断裂的裂纹萌生机制和扩展特征,探讨影响超高周疲劳行为的主要因素,即加载频率、材料组织和氢含量。在此基础上,提出了今后超高周疲劳研究的一些方向:裂纹源表面萌生和内部萌生的竞争性机制及影响因素,超高周疲劳的寿命预测和再制造零部件的超高周疲劳行为。 张伟[6]2018年在《轨道交通车辆用铝合金焊接接头超高周疲劳性能试验研究》文中进行了进一步梳理铝合金车体是现代轨道交通车辆的一个发展趋势,焊接作为铝合金车体各部件的重要连接形式,其焊缝静力强度与抗疲劳强度直接影响着车体的结构完整性和运营安全性,同时也制约着轨道交通车辆的进一步提速。轨道交通车辆在高速运行中会承受多方面复杂、突变的载荷,轮轴、转向架与车体等关键部件往往承受高频低应力循环载荷,且在车辆服役期间循环载荷已超过了10~7周次,传统的材料低周疲劳性能研究已无法满足现代焊接结构疲劳可靠性的设计需要。本文结合超声疲劳技术与扫描电镜微观分析技术,对轨道交通车辆用6005A-T6铝合金型材和叁种不同焊接工艺下的焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能和断裂机理进行了试验研究,结果表明:TIG焊、MIG焊、激光-MIG复合焊对6005A-T6铝合金型材焊接均有较好的工艺适应性,激光-MIG复合焊工艺对18mm厚板焊接可以取得较好的焊缝成型效果与焊缝质量。母材及不同工艺下的焊接接头试样在承受超过10~7周次的循环载荷后均会出现断裂,且焊接接头疲劳性能较母材有明显的下降,传统“疲劳极限”观点已不适应于现代结构抗疲劳设计,对焊接结构的疲劳安全寿命设计必须考虑焊缝与母材力学性能上的差异性。经扫描电镜发现6005A铝合金母材与焊接接头试样的断裂裂纹均以表面及次表面萌生为主,部分母材试样对称拉压疲劳裂纹存在着剪切扩展形式,焊接接头裂纹扩展较为不规则,部分试样的断裂出现多源情况,且表面和近表面的气孔比内部埋深气孔对疲劳强度的不利影响更为明显。对比6005A铝合金母材及焊接接头的对称拉压疲劳性能与对称弯曲疲劳性能,发现试样在低周和高周疲劳区间的弯曲疲劳性能明显优于拉压疲劳性能,在此基础上讨论了尺寸效应对试样弯曲疲劳性能的影响机理。综合叁种不同焊接工艺下的焊接接头超声疲劳试验数据结果,利用焊接接头在不同寿命区间较母材疲劳强度的降低系数γ对相应焊接工艺进行了评价:在10~5~10~9循环区间内,MIG焊工艺、激光-MIG复合焊接工艺在对称拉压疲劳性能与对称弯曲疲劳性能上均明显优于TIG焊工艺。对称拉压疲劳对应的高周循环水平内,激光-MIG复合焊接工艺优于MIG焊接工艺;超高周循环水平上,MIG焊接工艺优于激光-MIG复合焊接工艺。 张宝祥[7]2015年在《贝氏体钢轨超高周疲劳行为的研究》文中研究指明本论文以Mn-Si-Cr系列贝／马复相高强钢为研究对象,利用超声疲劳试验机研究了叁种不同热处理工艺对实验钢超高周疲劳行为的影响。着重探讨了不同组织类型对超高周疲劳S-N曲线、疲劳断口、断裂机理和裂纹扩展行为的影响。本文根据热膨胀仪所测定的实验钢的奥氏体化温度Ac1、Ac3和CCT、TTT曲线,分析不同冷却速率和等温温度对材料微观组织的影响,并制定疲劳试样的热处理工艺。研究表明该材料具有良好的贝氏体淬透性,随着冷速的增加,微观组织由粒状贝氏体逐渐转变为针状贝氏体/马氏体复相组织。叁种不同热处理工艺中,GG1和GG2试样所获得的针状贝氏体/马氏体复相组织具有良好的强韧性匹配,在超高周疲劳阶段(Nf>5×108),二者都有较高的疲劳强度,且疲劳裂纹均在高应力状态下萌生于试样表面基体组织。GG3试样的显微组织主要为粒状贝氏体、马氏体和块状残余奥氏体,其抗拉强度相对较低,塑性较高。但是,在超高周疲劳阶段(Nf>5×108), GG3试样的疲劳强度相对较低,疲劳裂纹在高周和超高周阶段均萌生于试样内部基体组织。研究还发现,贝/马复相钢的基体组织与夹杂物的相容性较好,其临界夹杂物尺寸显着高于回火马氏体。本文所获得不同类型的贝/马复相钢具有精细的组织结构,显微组织中残余奥氏体与贝/马复相组织的配合,可以显着提高材料的疲劳门槛值△Kth,降低疲劳裂纹扩展速率da/dN。研究表明针状贝氏体/马氏体复相组织比粒状贝氏体/马氏体复相组织具有更高的疲劳门槛值△Kth。 马佰全[8]2016年在《两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比研究》文中进行了进一步梳理对于光滑表面结构疲劳破坏,疲劳短裂纹萌生与扩展阶段占据了服役寿命的绝大部分。LZ50车轴钢是广泛应用于我国提速与重载轨道车辆车轴制备的钢材之一,在服役过程中所受载荷频率可能会发生变化,这可能导致材料疲劳性能因之而改变。但目前在载荷频率对材料疲劳性能影响方面的认识尚不统一,研究加载频率对LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为的影响具有重要的理论价值和工程意义。基于此,通过完成两种加载频率(15Hz和180Hz)下LZ50车轴钢材料光滑漏斗形试样的疲劳短裂纹复型试验,本学位论文开展了以下研究工作：1.通过对复型结果观察和分析,结合材料的金相、随机硬度和机械性能测试,研究了两种加载频率下疲劳短裂纹萌生与扩展机理。观察发现：两种加载频率下,裂纹均萌生于硬度较小的铁素体晶粒内部或是晶界处；在微观短裂纹(MSC)阶段,主导有效短裂纹(DESFC)经历了两次显着降速,且两次降速时对应的DESFC尺度分别与铁素体等效直径和富珠光体带状结构间距尺寸相当；在物理短裂纹(PSC)阶段,DESFC扩展占据了主导地位,其尺度持续增长,微观组织的影响不再显着。2.通过比较两种加载频率之间DESFC扩展率曲线和ESFCs密度曲线,可见各曲线很大程度上重迭,变化趋势基本一致,加之两种加载频率下疲劳试样断口形貌大致相同,加载频率的不同未对该材料疲劳短裂纹行为产生显着影响。但在MSC阶段,15Hz下试样的DESFC扩展率整体略高于180Hz下的试验结果,试验前后显微硬度分析表明,较低加载频率使材料能更充分地接受交变载荷的作用,有利于循环硬化进程的发展,导致材料局部区域韧度下降,脆性增加,形成更有利于裂纹扩展的条件,成为较低加载频率下短裂纹扩展率在MSC阶段略高的可能原因。3.从总体拟合效果、与疲劳失效机制的一致性及尾部参量预测安全性叁方面,对DESFC尺度、寿命分数和ESFCs密度叁个特征参量进行了统计演化规律对比研究。最终结果显示两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹统计结果并无显着差异。4.最后,基于考虑多种微观结构障碍对短裂纹扩展周期性影响的模型,对两种加载频率下典型试样试验数据进行拟合。从拟合效果来看,该扩展率模型较好的描述了试验数据,且能够反映出不同微观结构障碍对短裂纹行为的周期性影响。 李伟[9]2007年在《GCr15钢超高周疲劳行为的研究》文中认为传统疲劳设计观点认为，疲劳试验只要做到10~7周次的应力循环，就可以满足机械和工程结构的安全使用。可是近年来，随着现代机械向高速和大型化方向的发展，许多机械和工程结构，如高速铁路的机车车辆结构及零部件、钢轨、发动机零部件等在承受10~7～10~9周次应力循环载荷后的超高周区域，疲劳破坏仍然发生。因此，传统的疲劳设计规范和寿命预测方法已经不能满足超高周区域机械设备的使用要求，超高周疲劳行为和试验方法的研究已经成为疲劳研究者必须面临的一项重要课题。本文以强度等级较高的GCr15轴承钢为研究对象，以旋转弯曲和常规轴向加载疲劳试验为主，超声疲劳试验为辅的试验方法，开展了10~7～10~(10)寿命范围的超高周疲劳行为的研究，具体表述如下：使用电子显微镜和Leica光学显微镜对裂纹萌生位置及其附近的特征进行了详细观察，分析了GCr15轴承钢在叁种试验下的裂纹萌生机制，可以分为表面裂纹萌生机制和内部裂纹萌生机制。得到了该材料在叁种试验下的疲劳S-N曲线，比较分析了叁种试验下的疲劳S-N曲线的特征，同时验证了旋转弯曲疲劳S-N数据能较好的服从威布尔分布，得到了该材料旋转弯曲疲劳P-S-N曲线。使用SEV预测方法预测了该材料的最大夹杂尺寸，同时使用Murakami方程推定了该材料的疲劳强度。通过对裂纹的萌生位置的初期应力强度因子幅值ΔK_(ini)的计算，分析了裂纹萌生及扩展的断裂力学条件。通过旋转弯曲、超声和常规轴向加载疲劳试验结果的比较，考察了旋转弯曲与常规轴向加载疲劳强度的等效性，明确了超声加载频率、温度等因素对疲劳S-N曲线特性和裂纹萌生机制的影响。讨论了超高周疲劳试验方法的可行性，具体分析了常规疲劳试验方法和超声疲劳试验方法的适用范围。最后，在总结工作的基础上，对于今后的研究思路和研究方向提出了建议。 李想[10]2014年在《铝合金FSW焊接接头超高周疲劳性能研究》文中研究表明随着航空航天工业的飞速发展,兼具轻量和良好韧塑性两大优点的高强铝合金的应用范围越来越广,然而高强铝合金的熔化焊技术存在过多的气孔、裂纹等焊接缺陷,工业应用潜力很低。英国焊接研究所(TWI)发明的搅拌摩擦焊(FSW)这种连接工艺可以很好地解决气孔、裂纹等焊接缺陷的问题。本文所用试验设备为天津大学自主开发研制的TJU-HJ-I型超声波疲劳试验系统,以此来研究7050铝合金母材和FSW焊接接头在超高周区间内的疲劳性能。实验结果表明:母材试件和焊缝试件在107周次之后均会发生疲劳断裂,不存在“疲劳极限”或者“阶梯”,S-N曲线为一条连续下降的直线,焊接接头的疲劳性能相比母材略低。对比大尺寸和小尺寸的焊接接头疲劳试验结果,大尺寸试件的疲劳性能略低于小尺寸试件,说明疲劳试验存在尺度效应。观察疲劳断口发现:母材断口几乎在同一平面内,而焊缝断口较粗糙,大多数试件可以清晰的区分疲劳裂纹扩展区、瞬断区,疲劳辉纹特征明显。母材试件全部起裂于试件表面处,焊缝试件起裂于表面或者次表面缺陷处,没有材料超高周疲劳断口中典型的“鱼眼”特征。通过焊缝等应力试验可以发现,疲劳寿命与断口的疲劳裂纹扩展区的面积呈正相关。分析FSW焊接接头四个主要区域的组织特征和硬度。统计焊缝试件断裂位置可知,疲劳断裂大多发生于软化现象最严重的热影响区,少数断裂于焊核区的试件内部均存在较大的焊接缺陷。FSW焊接缺陷中,未焊合这种面型缺陷会产生极大的应力集中,存在未焊合缺陷的试件疲劳性能很差,夹杂物也会引起应力集中导致疲劳性能下降,夹杂物位置越靠近表面,尺寸越大,应力集中程度越大。 [1]. 40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D]. 王弘. 西南交通大学. 2004 [2]. 40 Cr钢和50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[J]. 王弘, 高庆. 中国铁道科学. 2006 [3]. 非对称超高周疲劳实验研究[D]. 闫桂玲. 西南交通大学. 2005 [4]. 应力幅间交互作用对结构钢超高周变幅疲劳性能的影响及微观机理的研究[D]. 周蒙蛟. 西南交通大学. 2017 [5]. 金属材料超高周疲劳的试验方法及失效特征[J]. 宋亚南, 徐滨士, 王海斗, 邢志国. 中国有色金属学报. 2015 [6]. 轨道交通车辆用铝合金焊接接头超高周疲劳性能试验研究[D]. 张伟. 西南交通大学. 2018 [7]. 贝氏体钢轨超高周疲劳行为的研究[D]. 张宝祥. 北京交通大学. 2015 [8]. 两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比研究[D]. 马佰全. 西南交通大学. 2016 [9]. GCr15钢超高周疲劳行为的研究[D]. 李伟. 西南交通大学. 2007 [10]. 铝合金FSW焊接接头超高周疲劳性能研究[D]. 李想. 天津大学. 2014 标签：金属学及金属工艺论文; 焊接接头论文; 疲劳断裂论文; 疲劳极限论文; 疲劳寿命论文; 应力集中论文; 应力强度因子论文; 断裂韧性论文; 弯曲试验论文; 应力状态论文; 弯曲应力论文; 应力应变曲线论文; 机理分析论文; 40cr论文; 参考文献：