（化工过程机械专业论文）45号钢在不同应力比循环载荷下的微动疲劳特性.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e e0 fm a s t e r t h ef r e t t i n gi 埝l t i g u eb e h a v i o ro f4 5s t e e l a td i f f e r e n tc y c l i cl o a d i n gs t r e s sr a t i o c a n d i d a t e ：s ub i n a d v i s o r ：s u nw e i m i n g c o l l e g e0 f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 锣o ft e c h n o l o g y a p r i l2 0 1 0 93 帅2m 67蛐7，liy 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 苗呷西 日期：扣j 口年月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：苗利 导师签名：b 肇咐 日期：2 口? d 年6 月牛日 日期：1 1 0 年6月9日 浙江工业大学硕士学位论文 4 5 号钢在不同应力比循环载荷下的微动疲劳特性 摘要 微动疲劳存在比较普遍，是造成机械结构中一些关键零部件失效的主要原因。微动疲 劳损伤在构件接触表面萌生裂纹并扩展，降低了构件的疲劳寿命，甚至造成灾难性的事故。 实验研究了4 5 号钢，在不同应力比轴向循环载荷下的微动疲劳寿命和裂纹萌生特性。 通过有限元数值计算，分析了接触面的应力强度、轴向应力、横向应力、剪应力等的分布 特点及其对裂纹萌生特性的影响。主要工作和成果如下： 1 设计了柱面桥脚微动桥、加载螺头及加载钢圈等实验装置。实现了柱面一平面接 触的微动疲劳实验。获得了垂直载荷为2 0 0 0n ，轴向循环载荷应力比分别为0 ，0 2 5 ，o 5 条件下，4 5 号钢微动疲劳的s l - 曲线。研究发现，轴向循环载荷应力比大于等于o 时，相 同轴向循环载荷应力幅下的微动疲劳寿命，随着轴向循环载荷应力比的增大而降低。显微 观察了微动磨损面，磨损面存在大量平行于微动方向的磨痕及微裂纹群、长裂纹、表面脱 落、蚀坑等微动磨损现象。分析了实验条件下的微动磨损机理。测量了微动疲劳断裂裂纹 位置。4 5 号钢在柱面一平面接触条件下，微动疲劳断裂裂纹位置集中在试样与微动桥桥脚 接触中心区域，且偏于桥脚外侧。 2 建立了与实验微动模型相同的有限元模型，获得了与实验载荷一致的微动模型的数 值解。分析了接触面应力强度、轴向应力、横向应力、剪应力等的分布特点及其对裂纹萌 生的影响。在接触区域存在应力集中，且最大应力强度幅度在接触区域偏于桥脚外侧的位 置。在轴向载荷的作用下，此位置应变量最大，易于萌生裂纹。通过与实验结果断裂裂纹 位置的对比，可以确定此点即是微动疲劳断裂裂纹萌生位置。 通过实验研究和有限元数值计算，分析了4 5 号钢在不同应力比轴向循环载荷下微动 疲劳寿命和裂纹萌生特性。本课题对于复合材料、陶瓷材料等新型材料微动疲劳特性有待 进一步研究。 关键词：微动疲劳，应力比，疲劳寿命，裂纹位置，有限元分析 。“。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一1 浙江工业大学硕士学位论文 t h ef r e t t i n gf a t i g u eb e h a v i o ro f4 5s t e e l a td i f f e r e n tc y c l i cl o a d i n gs t r e s sr a t i o a b s t r a c t t h ep r e s e n c eo ff i r e t t i n gf 抓g u ei sr e l a t i v e l yc o 珊m o n i ti st h em a i nr e a s o n 也a tc a u s e d f a i l u r eo f s o m ek e yp a r t so fm a c m n e t h e 盘e 钍i n gd a m a g ec a u s e dt oi n i t i a t i o na i l dp r o p a g a t i o n c r a c ka tt 1 1 ec o n t a c ta r e a so fm a c l l i n e ，w m c hr e d u c e st l l ef a t i g u el i f ea i l de v e nc a u s e ss e c u r i 够 a c c i d e n t s t l l e 行甜i n gf a t i g u el i f e 锄dc r a c ki i l i t i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e4 5s t e e lw e r es t l l d i e db y e x p e r i m e n ta td i 丘e r e n ta ) 【i a lc y c l i cl o a d i n gs 仃e s sr a t i o s 1 1 1 e 觚t ee l e m e n ts i i i l u l a t i o n 佻u s e d t 0a i l a l y s i s 恤s 拄e s si n t e n s 峨a x i a ls 骶s s ，仃a n s v e r s es t r e s s ，s h e a rs 仃e s so n l ec o n t a c ts l l r 】雠e ， u 1 1 d e rd i f r e r e n tl o a d s ，a 1 1 d “se f 梵c to nc r a c k 诚t i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h em a i l lw o r ka i l d c o n c l u s i o n s 挪ea sf o u o w s ： 1 1 1 1 e 讯t t i n g b r i d g e 谢t 1 1c y l i n d r i c a lf o o ts u r l 沁ea i l dt h el o a d i n gb o l ta i l dt l l el o a d i n gr i i l g a i l ds oo ns u c he x p e r i m e n t a ld e v i c ew e r ed e s i 印e df o r 舭t t i n gf a t i g u ee x p e r i m e mu n d e r c v l i n d e r - o n n a tc o n t a c t 1 1 1 e 毹t t i n gf a t i g u e 争_ c u r v e so f4 5s t e e lu 1 1 d e rv e n i c a ll o a do f 2 0 0 0 na i l da x i a lc y c l i cl o a d i n gs 仃e s sr a t i o so fo ，0 2 5 ，0 5 h a so 碱n e db y1 j r e t t i n gf a t i g u e e x p 甜m e n t s w ec a l ls e et h a tf r e n i n gf 抓g u e1 i f ed e c r e a s e d ，u i l d e rn l es 锄e s t l e s sa m p l i t u d e ，2 l s c y c l i cl o a d 崦s 仃e s sm t i oi n c r e a s e d t h es c a rw 1 1 i c hp a r a l l e lt om e 丘e t t i n gd i r e c t i o n ，a l l d1 a r g e a r e ao fm i c r o c r 2 u c k ，a n d1 0 n gc r a c ka n ds u r ：f a c es h e d d i n g ，a n dc o n o s i o np i t sh a v e b e e nf o u n di i l m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o na tc o n t a c ts u r f 砬e t h em e c h 锄i s mo f6 e t t i n g 、e a ru n d e re x p e r i m e m a l c o n d i t i o nh a l sg i v e ns o m ea n a l y s i s t h ec r a c k1 0 c a t i o no f6 e n i n gf a t i g u e 矗a c t u r eh a sb e e n m e a s u r e d w l l i c hi sa t 也ec e n t e ro fc o n t a c ta r e aa 1 1 da1 i m eb i a s e do u t b o a r do fb r i d g ef o o t 2 af i l l i t ee l e m e mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i l i c hi sa st h es 锄ea l st e s t 舭t t i n gm o d e l t h ef i l l i t ee l e m e n ts o l u t i o nu n d e rt h es 锄e1 0 a do ft e s th a sb e e nc a l c u l a t e d t h es t r e s si m e n s i 吼 a x i a ls 仃e s s 。打a 1 1 s v e r s es t r e s s ，s h e a rs t r e s so nc o n t a c ts u l f a c ea n d 吐l e i re 任- e c t so nc r a c ki n i t i a t i o n i i 浙江工业大学硕士学位论文 c h a m c t e r i s t i c sh a sb e e ng i v e ns o m ea i l a l y s i s t h e r ei ss t l i e s sc o n c e n t r a t i o ni nt 1 1 ec o n t a c tr e g i o n t h el o c a t i o no fm a x i m 啪s 乜e s si m e n s i 够锄p l i t u d ei s a tt h ec e n t e ro fc o m a c ta r e aa 1 1 da1 i t t l e b i a l s e do u t b o a r do fb r i d g ef o o tw h e r ei se a s yt oi n “i a t i o nc r a c ku 1 1 d e rt 1 1 ea x i a ll o a d u n d e rt l l e c o n 仃a s to ft h e1 0 c a t i o no fm a x i m u ms t r e s si n t e n s i 够锄p l i t u d et ot l l ec r a c kl o c a t i o no ff i r e n i n g 觚g u e 丘a c t u r e ，w ec a l ls e et h a t 恤1 0 c a t i o no fm a ) 【i m 哪妣s si n t e n s 时锄p l i t u d eo nc o n t a u c t s u r f - a c ei st h ec r a c kl o c a t i o no f 丘e t t i n gf i a t i g u ef r a c 骶 t h e 丘e t t i n gf a t i g u el i f ea n dc r a c ki n i t i a t i o nc h a r a 瓜e r i s t i c so f4 5s t e e la t d i 恐r e n ta ) 【i a l c y c l i c1 0 a d i n gs 仃e s s 阳：t i o sw e r es t l l d i e db ye x p e r i m e n t a la i l a l y s i sa i l df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n a i l a l y s i s t h j st o p i c 谢l lh a v ea 舢曲e rs t u d yo nn e wm a t e r i a l s1 i k ec o m p o s i t em a t e r i a l sa i l d c e r a m i cm a t e r i a l s k e yw o r d s ：舭t t i n gf a t i g u e ，s 仃e s sr a t i o ，f a t i g u el i f e ，c r a c k1 0 c a t i o l l ，f i n i t e e 1 锄e m a 1 1 a l y s i s 浙江工业大学硕士学位论文 摘要。 第1 章绪论 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第4 章 4 1 目录 ：i 选题背景及研究意义1 微动疲劳研究的发展历程与现状2 】2 1 微动疲劳研究的发展历程2 1 2 2微动疲劳机理3 1 2 3 微动疲劳的影响因素4 1 2 4微动疲劳实验研究的微动模型4 1 2 5微动疲劳寿命及裂纹萌生特性的理论研究5 本文研究的主要内容8 1 3 1设计微动疲劳实验装置8 1 3 2实验研究4 5 号在钢不同应力比轴向载荷下的微动疲劳特性9 1 3 3 建立微动疲劳有限元模型9 1 3 4 各组载荷下微动疲劳接触应力的有限元分析9 接触理论及接触力学的有限元分析1 0 h e n z 弹性接触理论。10 基于a n s y s 有限元软件的接触分析11 2 2 1 接触分析的基本概念1 1 2 2 2 接触方式12 2 2 3 接触分析步骤13 本章小结1 4 微动疲劳实验装置设计1 5 微动模型设计1 5 3 1 1材料的选择15 3 1 2实验试样结构设计1 6 3 1 3柱面桥脚微动桥结构设计1 7 环形加载钢圈设计2 0 3 2 1材料力学理论进行钢圈厚度设计2 1 3 2 2有限元计算校核钢圈强度和刚度2 2 加载螺头设计2 3 微动疲劳实验装配图2 3 本章小结2 4 微动疲劳寿命及裂纹萌生特性的实验研究2 5 实验方法和原理2 5 4 1 1标定微动桥2 5 4 1 2实验方案31 1 2 3，1 浙江工业大学硕七学位论文 4 2 4 3 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 第6 章 实验结果与讨论3 4 4 2 1 试样接触面上微动磨损实验结果与讨论3 4 4 2 2 各载荷条件下微动疲劳寿命实验结果分析3 8 4 2 3微动疲劳断裂裂纹位置4 3 本章小结4 6 微动疲劳接触力学的有限元分析4 7 微动桥与试样接触有限元模型的建立4 7 5 1 1 有限元模型简介4 7 5 1 2加载方法i 4 9 各载荷下微动模型应力强度分析4 9 5 2 1微动模型应力强度云图4 9 5 2 2 接触面应力强度5 3 5 2 3接触面应力强度幅度5 6 5 2 4接触面应力强度幅度对裂纹位置的影响6 0 接触面x ，y ，砂方向应力6 1 5 3 1接触面工方向应力6 l 5 3 2 接触面j ，方向应力6 3 5 3 3 接触面印方向剪应力6 4 本章小结6 7 结论与展望。6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 附录 7 6 ；改谢 攻读学位期间参加的科研项目和成果7 9 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 微动疲劳是指机械构件在有微动磨损时的疲劳强度和疲劳寿命问题【1 1 。机械系统和工 程设备服役于交变载荷或机械振动( 如拉一压、弯曲、扭转及其合成载荷等) 下，导致其 表面某一部位与其它接触表面产生相对微小幅度的滑动，这种重复的滑动被称为微动。微 动能造成构件表面的机械损伤称为微动磨损【2 1 。在微动磨损和交变载荷作用下能促使接触 表面较早产生疲劳裂纹并加速扩展，最终导致构件在大大低于材料疲劳极限，甚至在低于 材料弹性极限时失效，这一现象被称为微动疲劳。 已经知道，只要有十分之一微米( 0 1 肛m ) 的表面相对滑动距离【1 1 ，就可以造成表面 的微动损伤。因为滑动距离小，使人们长期没有察觉。也因为滑动距离小，使微动磨损具 有独特的性质，例如磨屑不易逸出。滑动距离太大就不会具备这些特点，就不是微动磨损， 而成为普通的大滑动摩擦磨损。不同学者从自己的研究结果出发，得出不同的数值，有的 认为微动磨损的最大滑移距离是3 0 0 肛m ，有的则认为是2 5 0p m 或2 0 0p m ，这与材料性 质等有关。 微动疲劳的存在比较普遍，它是造成飞机【3 1 、船舶、车辆、建筑、核能、化工、海洋 工程、铁路电力工业、电信装备、人工植入器官和桥梁工程结构等失效的主要原因，也是 造成机械结构中一些关键零部件失效的主要原因，因此在工业界有人把它称为“工业癌 症”。已有的研究表明，对长寿命的构件，微动疲劳会使其寿命降低3 0 以上，也有降低 8 0 的例子。代表性的微动疲劳实例有以下几类： 1 各种连接件，包括各种螺栓、铆钉、销连接和搭接。 2 各种紧固机构和加持机构，例如内燃机车柴油机连杆盖与连杆紧配合齿形结合面 上产生微动疲劳裂纹。 3 各种榫槽配合、花键配合，如涡轮叶片的榫槽配合发生的微动疲劳损伤。 4 各种绳索类构件( 如电缆、钢丝绳、斜拉索等) 。 5 各种过盈配合、间隙配合和弹性支撑机构。 6 各种人工植入件，如人工关节与骨刺处在人体运动时易发生微动磨损，产生的磨 屑引起肌体的污染。 1 浙江工业大学硕士学位论文 微动疲劳的普遍性及其危害的严重性引起了各国研究者的重视，特别是最近几年， 大家对此更加重视。尽管微动现象早在1 9 1 1 年就已经被发现，而大量的研究则在2 0 世纪6 0 年代特别在8 0 年代以后才真正开始。全世界现在已经有2 0 多个国家参与了研究。而且以英 国、法国、美国、日本、加拿大的研究最为积极，在全部论文中，这几个国家占全部论文 总数的8 0 。 我国对于微动损伤的研究比较迟，不过近十年来我国微动摩擦学研究室也逐渐增多， 到现在为止已经有2 0 多家研究所开展了此项的研究。近几年我国在微动损伤研究方面也取 得了很大的进展，但是与国外的研究水平还是存在一定的差距，因此无论从理论探讨还是 工程应用方面，我国都需要继续深入开展微动损伤的研究。 1 2 微动疲劳研究的发展历程与研究现状 1 2 1 微动疲劳研究的发展历程 自1 9 1 1 年e d e n 等人首次报道了微动这一现象以来，微动摩擦学的发展大致可以划分为 以下3 个阶段【4 j ： 阶段1 ：微动现象的发现及早期理论的建立( 1 9 1 1 至2 0 世纪5 0 年代) ，1 9 1 1 年e d e n ，r o s e 和c u n i l i n 曲锄首次观察到微动和疲劳的联系，1 9 2 7 年t o m l i n s o n 提出了一种微动机理，并 在其研究报告中首次出现“f r e t t i n g ”一词。1 9 4 9 年m i n d l i n 首次将接触力学引入微动领域， 为微动力学分析奠定了基础；接着1 9 5 3 年和1 9 5 4 年分别由f e n g 和u l i g h ，提出了化学机械 理论和磨损速率变化理论，为微动疲劳研究的发展推进了一大步。 阶段2 ：微动疲劳的发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代至2 0 世纪8 0 年代) ，1 9 6 9 年n i s l l i o k a 等人提 出了一种微动疲劳模型，预测了试件的微动疲劳寿命；1 9 7 2 年w a t e r h o u s e 在总结前人研究 的基础上发表了首部有关微动的专著f r e t t i n gc o r r o s i o n 。1 9 8 8 年，v i n c e n t 和g o d e t 提出 了速度调节理论。在这一阶段，关于微动现象的研究才算真正的开始，有关微动损伤的研 究论文数量大大增加，对微动损伤机理的研究更加系统和深入，提出了一些微动疲劳理论。 阶段3 ：微动疲劳的崭新阶段( 2 0 世纪9 0 年代至现在) ，这段时期，有关微动疲劳的研 究论文猛增，1 9 9 0 年，g o d e t 提出了微动磨损的三体理论。值得一提的是1 9 9 2 年，由动o u 和v i n c e n t 提出的二类微动图理论，从而揭示了微动运行机制和材料损伤规律，对微动疲 劳的发展做出了重要贡献。进入2 1 世纪以来，研究重点转入到对于具体材料及结构的微动 疲劳分析、研究。在基础研究方面，从简单的工业微动破坏现象观察、单一实验参数影响、 平移微动模式，分别走向破坏机理实验分析、综合机械材料参数( 如位移、压力、频率、 浙江工业大学硕士学位论文 往复次数、材料组织结构、力学性能等) 影响、其他微动模式( 如径向、滚动、扭动、冲 击等模式) 、复合微动等的研究。在理论分析方面，不再局限于h e n z 弹性接触理论，而 是借助于大型计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析( 包括热力学) 等研 究手段来模拟微动的运行和破坏过程已成为微动摩擦学的理论研究的重要特征。以及在新 材料、环境的影响、防护措施、工业应用等方面的研究。 1 2 2 微动疲劳机理 微动疲劳是同时涉及到粘着、磨料、氧化和疲劳这四种基本磨损机理的特殊形式岭制， 这四种作用的叠加和相互影响造成了其损伤机理的复杂性。在微动过程中，裂纹的形成和 表面的磨损密切相关，部分已形成的裂纹可能被磨损去除，成为第三体，而另一些新的裂 纹可能逐渐发展，其中一个主裂纹连同附近的一些次裂纹最后形成一条宏观裂纹向着试件 的宽度方向和深度方向不断扩展，最后导致零部件疲劳断裂【7 _ 0 。 构件在循环应力、接触应力和切向摩擦力等共同作用下，材料接触表层反复经历塑性 变形。随着微动的不断进行，塑性变形不断积累，位错密度不断增加，最终将在接触应力 最大的亚表层萌生疲劳微裂纹，如图1 1a 所示；在微动磨损的协同作用下，部分裂纹向纵 深发展，互相贯通，进而导致表层材料发生剥落，形成蚀坑，如图1 - lb 所示；随着微动疲 劳过程的继续进行，表层材料不断脱离母体形成磨屑，蚀坑不断扩大，疲劳裂纹易在损伤 最严重处萌生，并逐渐扩展，最终使构件发生断裂【1 1 1 4 】，如图1 1c 所示。 - - - p 。1 、，r 气、：一h u 山工t 譬o - j a 产生微裂纹 b 形成蚀坑 c 产生断裂 图1 1微动疲劳损伤过程示意图【1 5 】 扩展性微裂纹形成后的进一步扩展到断裂可分为两个阶段：第一阶段，在微动力和外 载荷共同作用下扩展；第二阶段，当微裂纹扩展达一定深度后，表面微动力对裂纹的进一 步扩展己起不到作用，此后裂纹的继续扩展至断裂仅受外载荷的作用【1 昏1 7 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 微动疲劳的影响因素 微动疲劳可认为是微动磨损和疲劳联合作用的过程，涉及到粘着、磨料、氧化和疲劳 这四种基本磨损机理的特殊形式，这四种作用的叠加和相互影响造成了其损伤机理的复杂 性。微动疲劳过程的影响因素颇多，涉及力学【1 8 之0 1 、物理【2 1 2 4 1 、化学【2 5 。2 6 】和材料【2 7 。8 】等学 科，其损伤演变过程十分复杂，据统计微动疲劳的影响因素多达5 0 多个【2 9 。3 0 1 。其主要因素 可归纳为如下所示： 1 微动位移幅度弘3 2 】：微动振幅指两个零件发生微动时，局部接触表面之间的切线位 移幅，材料的微动疲劳强度存在一个临界的微动振幅。当微动振幅小于其临界微动振幅时， 材料的微动疲劳强度随微动振幅的增大而下降；而当微动振幅大于其临界微动振幅时，其 微动疲劳强度基本保持不变，甚至有所提高；当微动振幅等于临界微动振幅时，微动疲劳 强度最低。研究表明，临界微动位移幅一般为5 2 0 “m 。 2 接触压力【3 3 。3 6 】：试件的微动疲劳强度随接触压力的提高而明显下降，但当接触压 力大于某一临界值后，微动疲劳强度几乎不再受接触压力的变化而影响。 3 循环应力【3 7 3 9 】：外部循环应力对寿命的影响最大，是疲劳寿命的关键因素，寿命随 循环应力增加而降低。 4 载荷频率【3 9 】：频率低，则寿命经历的时间长，在寿命期内化学及其他作用总效果大； 低频为裂纹提供较多的扩展时间；其他条件相同，频率低，摩擦力会较大。由此可见，微 动疲劳寿命一般随频率的降低而降低。 5 环境介质【3 蚪o 】：一些金属材料，如铝合金、钛合金等，在大气中表面会形成具有 保护功能的氧化膜。由于微动损伤效应，表层氧化膜不断受到破坏，环境介质不断渗入与 新鲜基体金属不断发生腐蚀反应，此过程循环进行的结果，大大加速了材料损伤失效的进 程。 1 2 4 微动疲劳实验研究的微动模型 微动疲劳实验微动模型有很多种形式，最早用于微动疲劳试验的接触几何主要是桥式 微动块产生平面平面接刖4 1 4 3 1 ，如图1 2a 所示，一直流行到2 0 世纪9 0 年代初。此桥 式微动块的最大优点是可以使用标准的疲劳试件，不管试件是处于弯曲还是循环轴向力作 用下。这种简单的装置有一些不利因素，如桥足的接触状况很难确定，而且每个桥足的滑 移状况也是不同的。 2 0 世纪六七十年代，n i s h i o k a 和h i 豫k a w a 发表了一系列文章，他们采用了另一种完 4 浙江工业大学硕士学位论文 全不同的接触几何，圆柱形微动块与平板试样接触，如图1 2b 所示。此结构的优点是接 触应力能通过典型的接触分析来分析描述。随后，这一接触几何还被许多其他的研究者使 用。 还有一些近似真实构件接触几何形式，如燕尾榫联接，如图1 2c 所示。也有一部分 研究者使用此接触形式进行了一系列微动疲劳试验研究。 心q q 翁笋q a 桥式平面微动块b 柱形微动块c 燕尾榫联接 图1 - 2 微动疲劳实验微动模型4 1 1 1 2 5 微动疲劳寿命及裂纹萌生特性的理论研究 现阶段，有基于各种机理用来量化预测微动疲劳寿命，及裂纹萌生位置与角度的经验 公式m 4 8 1 ，以下介绍了三种主要的方法： 1 )综合参数g 判断法 1 9 8 9 年有何明鉴等人首次提出了用综合参数g 判断法，其主要思想当疲劳裂纹萌生后， 微动对疲劳裂纹扩展的影响较小。也就是说微动作用对疲劳裂纹萌生点的位置及形成有较 大的影响，而对疲劳裂纹的扩展影响较小；疲劳机理研究表明，任何疲劳失效的根本原因 在于交变应力或应变的疲劳损伤。并且假设在微动疲劳问题中，接触表面之间的微动作用 主要影响疲劳裂纹萌生的位置，微动疲劳的寿命主要取决于交变应力或应变造成的疲劳损 伤。根据上述的假设条件可知，磨损严重的地方，会出现许多由微动产生的裂纹。这些裂 纹是否会向材料内部纵深扩展则要看体内的切向力仃t 的大小。从仃t 的分布情况看，有些 地方仃，是负值，因而裂纹不会扩展。 根据上面可知，若假设以g 表示裂纹萌生的可能性大小，以应力仃t 衡量裂纹扩展的可 能性大小，贝i j ： 5 浙江工业大学硕士学位论文 j l l 摩擦系数； 仃n 法向接触压力； 6 相对滑动距离； 听切向应力； g = j l l 仃n 衍t 其中上式前三项为摩擦功。研究结果表明，综合参数g 取最大值的位置即是裂纹萌生 和扩展点的位置。但是必须指出，综合参数只适合用在有微动损伤的地方。在没有微动损 伤的地方由于摩擦功为0 ，因而综合参数g 也为0 。但应力听可能有较高值，因普通疲劳破 坏。从上面描述可知g 判断法不能有效的预测裂纹萌生角度。 2 ) s 胛准则【4 9 】 s 嘞法是s m i t h 等人根据应变疲劳寿命法并考虑平均应力的影响而提出的。应变寿命 法是基于b a s q u i l l s 对于高周疲劳的方程l - 2 和c o m n - m a n s o n 对于低周疲劳的方程1 3 提出。 等= 詈( 2 ，) 6 ( 1 - 2 ) 等叶f ( 2 坩 ( 1 - 3 ) s 。循环弹性应变幅 s ，循环塑性应变幅 q 疲劳强度系数 卜疲劳强度因子 s ，。疲劳韧性系数 r 疲劳韧性因子 2 m 疲劳失效的次数 总的应变寿命方程就是上述两方程简单的相加： ( 等) 删= 譬( 2 硝q ( 2 坩 ( - 4 ， 浙江工业大学硕士学位论文 然而这个方程没有考虑平均应力应变对疲劳寿命的影响，因此s m i t h 等人就提出了s r 胛 方法， s 阿：。一嘭：譬( 2 ) 2 6 嘶( 2 硝 ( 1 - 5 ) 式中仃一为最大轴向应力，s 。为轴向应变幅。在计算多轴状态循环应力下的s 胛方程时， 引进了临界面这个概念，而s 胛临界面的确定方法【5 0 5 2 】如下： 首先是根据有限元分析得到接触面上每个节点的应力、应变值。二维的剪应力转换表 达式如下，通过这个表达式能计算出1 8 0 个面上的剪应力，a 以1 。的增长幅增长。 = 半+ 半c o s 2 渤 ( 1 - 6 ) 在这里仃，、仃y 、f 砂分别是指在最大载荷作用下节点上的应力 巳= 半+ 孚c o s 2 扣2 口 ( 1 - 7 ) 气= s 一一s i n i n ( 1 8 ) 在这里s ，、e y 、s 矽分别是指该节点上的应变，而s 嘲、s 越i n 分别是指在最大载荷和最 小载荷作用下的应变幅。然后根据s 嗍算公式 s 胛= 仃一。乞 ( 1 - 9 ) s 矾嘬大的那个面就是我们所说的s 舸临界面，也就是损伤最大的面，裂纹从这个面 开始上萌生和扩展【5 3 5 4 1 。 3 ) 彪姐参数【5 5 】 l y k i l l s 等人在考虑了局部平均应力和应力比对微动疲劳裂纹萌生特性的影响，在基于 最大剪应力范围临界面的平面疲劳数据用类似于w a 墩e r 方法，提出了整合方程，计算了初 始剪应力比对临界面的影响【5 6 _ 5 7 1 。其表达式如下： r 咖= r 。( 1 一足) m ( 1 1 0 ) 在这里r 一就是临界面的最大剪应力，足就是临界面上的剪应力比，历是拟合参数。 l y k i i l s 等人根据有限元计算出来的结果和在平面疲劳里得到的试验结果，把基本剪应力参 数根据类似于c o m n m a i l s o n 公式的方法建立了一个循环次数和f 例，之间的关系，这个关 7 浙江工业大学硕士学位论文 系方程如下所示： t 删= c l ( 2 + 巳( ，) 。4 在这里c ，c ：，c ，c 。分别为材料的参数，可以通过普通疲劳试验寿命数据拟合出来。 为了计算m 娥参数首先通过有限元分析法计算在给定疲劳载荷条件下的接触区域上 所有点上所有面的应力状态。二维的剪应力转换表达式如下，通过这个表达式能计算出 1 8 0 个面上的剪应力，口以1 。的增长幅增长。 t 。= 墨亏生n 缸+ f ，y c d s 2 0 【 盯。弋方向的应力 ( 1 1 2 ) 矿。1 方向的应力 f 。，剪应力 临界面就是在所有点上剪应力范围f 硎= r 一一7 - 曲最大的那个面，在这里r 懈、 f 血分别是指在最大和最小的疲劳循环载荷下的剪应力。而微动裂纹萌生就发生这个临界 面【5 8 删上。 然后通过考虑剪应力比对临界面的影响，再利用平面疲劳数据根据w a l k e r 方法拟合得 到式6 1 0 中的，2 。利用这种方法可以根据平面疲劳试验数据预测得到微动疲劳裂纹萌生参 数。但是这种方法的局限性比较大，而且公式是通过试验数据拟合得到，通用性比较差。 1 3 本文研究的主要内容 根据以上的总结和分析，本文将从以下几个方面展开研究工作。 1 3 1设计微动疲劳实验装置 近年来，柱面一平面接触形式是微动疲劳实验研究采用的主要接触形式。本文将研 究4 5 号钢在柱面平面接触形式下的一些微动疲劳特性。因此，设计带有平面的实验试 样、柱面桥脚微动桥及加载钢圈装置等。并通过有限元模拟校核了各装置在实验载荷下满 足强度和刚度要求。 8 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 进行微动疲劳实验，探讨不同应力比轴向载荷下微动疲劳特性 在岛津微机控制电液伺服静动态材料试验机e h f e d 2 5 0 4 0 l 上完成微动疲劳实验， 确定了4 5 号钢在轴向循环载荷应力比分别为0 ，o 2 5 ，o 5 下的卜曲线，探讨轴向循环 载荷应力比对微动疲劳寿命的影响。观察微动疲劳断裂裂纹位置。采用金相显微仪来观察 微动疲劳实验后试样上微动磨损区域，分析微动磨损对裂纹萌生的影响。 1 3 3 建立微动疲劳有限元模型 微动疲劳损伤在力学上属于接触问题，而接触问题是一种高度非线性行为。本文通过 a n s y s 建立微动桥与试样接触的有限元模型。此接触问题属于平面应力问题，因此建立 了二维平面有限元模型。为了既能满足计算精度，又能便于计算，有限元模型在接触区域 网格划分较细，而在远离接触区域网格划分较粗。 1 3 4 各组载荷下微动疲劳接触应力的有限元分析 对微动模型在各组载荷下进行了有限元分析。计算出在垂直载荷为2 0 0 0n 情况下， 应力比为0 ，o 2 5 ，0 5 的三组轴向循环载荷下微动模型的数值解。分析了各载荷下微动模型 接触区域的应力强度、应力强度幅度、x 方向拉应力( 试样接触面轴向应力) 、j ，方向压应 力( 试样接触面横向应力) 及矽方向剪应力等，及其对裂纹萌生的影响。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章接触理论及接触力学的有限元分析 微动疲劳是发生在相互接触的构件上，在力学上属于接触问题，由于微动磨损作用， 在构件接触表面萌生裂纹并扩展，最终导致构件的断裂。微动损伤和微动力是影响微动疲 劳的关键因素。因此，通过接触应力的分析来解释和预测微动疲劳的有关问题成了非常重 要和有意义的事情1 斟】。本章主要介绍了圆柱面与平面接触的h e r t z 弹性接触理论及 a n s y s 软件在分析接触问题方面的应用。 2 1h e r t z 弹性接触理论 关于两弹性体的接触问题，可由h e n z 接触理论【6 5 】对其进行接触应力分析。h e n z 接 触分析主要有两种：球体与球体的接触和柱体与柱体的接触。当然h e r t z 接触理论是建立 在以下条件之上的： 1 两接触体在初始接触点附近的表面至少二阶连续，以至于表面可用微分几何的方 法分析。 2 接触是非共形的。 3 小变形。 4 面内无摩擦，因而切向面力为零。 5 接触体的材料完全弹性。 6 接触体的材料绝对均匀且各向同性。 7 接触表面之间无介质存在。 对于两圆柱体的接触问题，设两圆柱体的半径分别为墨、足，它们各自材料的弹性 模量和泊松比分别为巨、，和岛、y 2 ，施加于两圆柱体上的压力( 线载荷) 为n 则根据 h e n z 弹性接触理论，在接触处形成一条宽度为2 6 的狭长矩形接触区，其尺寸为 其中： 6 = ( 2 - 1 ) 浙江工业大学硕士学位论文 岛= 普 2 ， 奴：生坚( 2 3 ) 兀e 压应力在x 轴线上的变化是 = 小刳 4 ， 式中p 。为接触面上的最大压应力 碥：堡 ( 2 5 ) 风2 亍 l z 3 ) 7 【d 两圆柱体中心的接近距离为 6 = 等n 等+ o 4 。7 ) 屿( - n 等+ o 4 。7 ) c 2 科 同样，对于相同材料组成柱面平面接触，即忌，：| | ，：七，冠：足足专o o 可以得到： 瑚厚：2 只= = 只) ( 2 7 ) ( 2 8 )