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原文传递 LZ50车轴钢的随机疲劳短裂纹行为研究

论文题名：	LZ50车轴钢的随机疲劳短裂纹行为研究
关键词：	车轴钢;旋削-滚压工艺;疲劳短裂纹;扩展率模型;微观结构;疲劳损伤
摘要：	疲劳短裂纹的扩展过程，占光滑表面结构服役寿命的70％～90％。在有关理论尚不完善与成熟的情况下，研究这一课题具有重要的科学意义与工程指导意义。本学位论文通过完成铁路LZ50车轴钢材料及旋削-滚压维修工艺试样的疲劳短裂纹复型试验，开展了如下研究工作：　　 1.通过对表面未经滚压处理试样(未滚压试样)的试验研究，揭示了LZ50钢的两种微观结构障碍疲劳损伤机制。　　研究表明，疲劳短裂纹萌生于试样表面的铁素体。在微观结构短裂纹(MSC)阶段，主导有效短裂纹(DESFC)在扩展过程中出现两次较明显降速。第一次降速出现在短裂纹萌生后，扩展遇到晶界。第二次降速出现在DESFC突破铁素体晶界障碍约束后，扩展遇到富珠光体带状结构。而DESFC突破富珠光体带状结构约束，它的主导地位迅速确立，疲劳短裂纹扩展进入物理短裂纹(PSC)阶段。从此时起，直到出现常规观测手段可见的长裂纹及最终试样断裂，裂纹扩展速率持续随机增加，无明显障碍特征。两次降速最低点对应的平均DESFC表面长度分别为14.77μm和107.11μm，分别接近材料平均铁素体直径(14.61μm)和富珠光体带状结构间距(109.09μm)，这说明LZ50钢的疲劳损伤具有两种微观结构障碍机制。　　 2.引入微观结构障碍阻力系数函数，发展了新的多微观结构障碍疲劳短裂纹扩展率模型及其概率表征方法；并结合长裂纹试验结果，引入当量应力强度因子，提出了疲劳长、短裂纹扩展率统一模型及其概率方程。　　阻力系数反映了裂尖距离微观障碍越近，裂纹所受扩展阻力越强的特点。裂纹一旦突破前一障碍的约束，立即进入下一障碍影响范围内，重复受阻过程，具有周期性特征。随着裂纹尺度增大，扩展驱动力不断增强，微观障碍作用的影响效果持续减弱。本文提出的短裂纹扩展率模型继承有效短裂纹准则思想，以远场总循环应变能密度△Wt与DESFC尺度α的乘积为裂纹驱动力参量；模型包含材料多种微观结构障碍特征尺度参量，利用阻力系数函数反映裂纹扩展过程中的减速现象。通过拟合试验数据，获得了LZ50钢短裂纹扩展率模型的概率参量及曲线，验证了模型的有效性。进一步，考虑到从短裂纹到长裂纹的扩展，其行为在客观上是一个连续发展的物理过程，通过拓展小范围屈服条件下J积分与应力强度因子的关系，引入能同时描述长、短裂纹扩展的弹塑性驱动力——当量应力强度因子△Keq，在短裂纹扩展率模型基础上，发展了包含多微观结构障碍的长、短裂纹扩展率统一模型。对未滚压短裂纹试样和长裂纹试样试验数据的处理结果，验证了统一模型的有效性。　　 3.通过对不同时刻旋削与滚压试样及未滚压试样的试验对比研究，发现对未经滚压的试样，越早实施滚压处理，获得的延寿效果越好。通过引入滚压效应函数M(f)，对未滚压试样短裂纹扩展率模型进行修正，发展了可考虑滚压时刻对扩展速率影响的新模型。　　滚压在试样表层和近表层产生了约235～100 MPa的周向残余压应力，和约316～132MPa的轴向残余压应力，可降低试验时的有效疲劳应力；同时，提高了材料表面的显微硬度，滚压后铁素体、珠光体的硬度分别较未滚压试样提高了10.81％和3.15％，抑制了短裂纹的萌生与扩展。比较几组不同时刻进行旋削与滚压处理的试样在滚压后的延寿率，发现随着处理时刻从f=0.7提前至f=0.0，滚压后平均延寿率从379％上升至641％。这表明，为获得更长的疲劳寿命，对未经滚压的试样，应当在条件具备的情况下，尽早实施旋削与滚压处理。滚压效应函数M(f)反映了滚压时刻与延寿率之间的关系，用它对疲劳短裂纹扩展率模型进行修正，能体现滚压时刻选择的不同对裂纹扩展率的显著影响。
作者：	杨冰
专业：	载运工具运用工程
导师：	赵永翔
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文