航空發(fā)動機主軸軸承作為主機的核心部件,其服役環(huán)境復雜惡劣苛刻�，F代航空發(fā)動機主軸軸承要求工作溫度超過300℃,同時能夠保證在高轉速、重載荷下長時間工作,這些對航發(fā)主軸軸承的可靠性與壽命性能提出了高要求。隨著動力學及結構優(yōu)化設計的日趨完善,軸承材料性能優(yōu)化逐漸成為提升主軸軸承服役性能的關鍵。其中,高溫軸承鋼克服了傳統(tǒng)軸承鋼因相變溫度較低在高溫環(huán)境下容易熱軟化的劣勢,其相變溫度超過800℃,被廣泛應用在主軸軸承中。微觀組織夾雜包括微觀組織、第二相顆粒(夾雜)以及微觀缺陷(大塊夾雜、孔隙、裂紋)。其中,第二相顆粒阻礙微觀組織的位錯滑移運動,強化了高溫軸承鋼的性能,但其熱處理或鍛造過程中可能形成大塊狀或條狀夾雜而誘發(fā)微裂紋萌生,不利于高溫軸承鋼的抗疲勞性能,并引起微觀組織發(fā)生塑性流動與局部過熱,因此考慮微觀組織夾雜有助于剖析高溫軸承鋼的滾動接觸疲勞行為。本文結合高溫軸承鋼橫截面的實測微觀組織夾雜圖像數據,通過圖像重構實現微觀組織夾雜的幾何特征提取,提出一種高效的微觀組織夾雜混合重構方案,并基于ANSYS建立晶格有限元模型VFEM�？紤]表面形貌、潤滑狀態(tài)、工況條件、動態(tài)接觸熱等外部因素,分別研究了高溫軸承鋼的等溫及高溫彈塑性接觸疲勞行為,涉及高溫軸承鋼疲勞壽命的估計以及碳化物夾雜脆斷失效的模擬,并分析了微觀組織夾雜局部過熱的狀態(tài)。結果表明,硬質、體積分數大、形狀平滑、分布均勻的碳化物夾雜有利于提升高溫軸承鋼的抗疲勞性能,但碳化物夾雜硬質比例及體積分數增加不利于高溫軸承鋼性能的穩(wěn)定,因此需要結合高溫軸承鋼的使用用途及可靠性要求綜合考慮。同時,當潤滑條件或粗糙表面不佳時,近表層碳化物夾雜發(fā)生脆斷失效,降低高溫軸承鋼的抗疲勞性能,并引起接觸區(qū)附近發(fā)生局部過熱,因此需要重點控制軸承部件接觸面的表面形貌以及潤滑狀態(tài)。本文提出了一種結合軸承工況、潤滑狀態(tài)、材料特性、動態(tài)接觸熱的交互設計思路,為航空工業(yè)中材料熱處理、無損探傷質量控制、高溫軸承鋼基礎數據庫提供了理論指標。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V231.95;V252.1;TG142.1
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文種強化作用能夠適應高溫環(huán)境，因此具備優(yōu)良高溫材料性能。然而，由于 M50 含碳量較高，部分第二相顆粒富集了碳化物及合金元素，形成塊狀、魚骨狀夾雜缺陷導致化學成分分布不均且抗沖擊能力差，容易在復雜多變工況環(huán)境下發(fā)生脆斷。M50NiL 是由 M50 經過降碳增鎳[1]發(fā)展而來，其內部碳化物形態(tài)細小彌散，因此沖擊韌性好，但 M50NiL 碳化物尺寸較小，與摩擦過程中的磨粒尺寸相差無幾，在工作過程中容易擦傷接觸副，降低表層耐磨性，因此不適用于超高轉速服役環(huán)境，如圖 1-1 所示為航空發(fā)動機主軸軸系及高溫軸承鋼微觀結構示意。

結合主軸軸承結構及工況條件，綜合考慮接觸幾何、潤滑狀態(tài)、接觸熱效應因素，研究高溫軸承鋼的彈塑性接觸疲勞行為，實現材料微觀結構、工況條件、觸界面、軸承部件之間的交互設計。1.2 國內外研究現狀與分析1.2.1 滾動軸承接觸疲勞壽命評估方法的研究接觸疲勞壽命是衡量滾動軸承部件疲勞性能的直接指標。由于滾動軸承運在主機核心位置，因此其接觸疲勞壽命直觀反映出主機服役過程中的極限壽命。觸疲勞壽命與滾動軸承所處工作環(huán)境、材料性能、潤滑狀態(tài)、接觸幾何有關。19年，Stribeck[10]將滾動軸承的接觸疲勞壽命與載荷建立數學聯系，推導出徑向球承中載荷最大球方程，并發(fā)展為靜態(tài)負載容量，但該方程僅承受徑向載荷 Fr，用范圍有限。1912 年，Goodman[10]利用實驗觀測到滾動接觸疲勞現象并總結為應數學模型，有別于當時普遍認為滾動軸承中大球比其他球磨損嚴重的觀點，即球首先磨損直至所有球徑保持一致而終止磨損。實驗表明滾道在與滾動體反復觸過程中形成斑點或薄片，最終導致軸承部件出現故障，如圖 1-2 所示。

a) 微觀組織的 SEM 圖 b) 微觀組織公稱尺寸隨溫度變化圖 1-6 不同預設溫度下 M50 的微觀組織特征[3].2.4 微觀組織夾雜疲勞行為數值模擬的研究高溫軸承鋼內部微觀組織通常呈現不規(guī)則六棱形結構。微觀組織的六棱形影響著循環(huán)載荷下高溫軸承鋼的應力傳遞特征，具體表現為沿晶界方向與穿體內部方向上的力學性能差異，這也是多晶體材料普遍存在的現象。同時，微陷（大塊夾雜、微孔隙、微裂紋）通常引起材料內部發(fā)生嚴重應力集中，如圖b)所示，其所在區(qū)域、幾何形狀、物性特征皆對滾動軸承的接觸疲勞有顯著影響此明確微觀組織夾雜的疲勞行為對于解析高溫軸承鋼的抗疲勞性能有幫助。微觀組織夾雜的疲勞行為發(fā)生于材料內部，很難用實驗在線檢測，對此國內外提出了許多數值模型，模擬微觀組織夾雜的疲勞行為，如圖 1-7a)所示。

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本文編號：2821053