【摘要】： 傳統(tǒng)疲勞設(shè)計理念認為，載荷循環(huán)周次在10~7以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有無限疲勞壽命，通常以10~7循環(huán)周次所對應(yīng)的疲勞試驗數(shù)據(jù)做為強度設(shè)計依據(jù)。但是隨著機械設(shè)備向高速大型化發(fā)展，許多機械和工程結(jié)構(gòu)，如高速鐵路的機車車輛結(jié)構(gòu)及零部件，核電站散熱器管道，發(fā)動機零部件等在承受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)計規(guī)范和壽命預(yù)測方法已經(jīng)不能滿足超高周區(qū)域機械設(shè)備的使用要求，所以有必要對常用的結(jié)構(gòu)鋼種進行超高周疲勞試驗，得到超高周疲勞數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有設(shè)施以及以后待建項目的疲勞強度設(shè)計、安全評估及壽命預(yù)測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鋼為研究對象，用超高周疲勞試驗方法，進行了10~4-10~(10)壽命范圍內(nèi)的超高周疲勞行為的研究。通過超高周疲勞試驗得到三種材料在試驗下的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理，分析了裂紋萌生和裂紋擴展機制。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鋼疲勞裂紋的擴展機制對高周和超高周疲勞而言沒有本質(zhì)的區(qū)別。而304不銹鋼第一擴展區(qū)形貌與傳統(tǒng)定義的第一擴展形貌有著明顯的不同，進而定義了304不銹鋼超高周疲勞的第一擴展區(qū)。 研究了加載頻率對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，并對管道使用壽命進行了預(yù)測。為管道疲勞設(shè)計提供一種可行的方法。 通過比較分析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理。 從微觀角度分析本文三種結(jié)構(gòu)鋼沒有出現(xiàn)典型內(nèi)部萌生機制的原因。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：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)彎曲疲勞試驗機對suJZ等高強鋼進行了超高周疲勞性能研究，在1了一109周次范圍內(nèi)，高強鋼的疲勞S一N曲線如圖1一1所示。Murakamil‘5一1刀等人用30一100比的拉壓疲勞試驗機得到的高強鋼的疲勞S一N曲線呈現(xiàn)階梯下降型，如圖1一2所示。由于超聲疲勞試驗技術(shù)具有很高的頻率，可以在很短的時間內(nèi)使試驗周次達到1護周次，因此學(xué)者們用超聲疲勞試驗技術(shù)對大量材料進行了超高周疲勞性能研究，測出的疲勞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，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度。因此，用傳統(tǒng)意義上的疲勞極限進行疲勞強度設(shè)計不能保證構(gòu)件的安全性和設(shè)計的精確性，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理低周和高周疲勞試驗表明，疲勞斷裂總是開始于零件關(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:__超聲疲勞實驗技術(shù)得到的材料超高周疲勞試驗結(jié)果表明，在應(yīng)力幅很低的情況下，試樣仍會發(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;而對應(yīng)于應(yīng)力較低，壽命很長的超高周階段，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】，參照圖1一3和圖1一4。能譜分析表明，

【引證文獻】

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;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研究[D];西南交通大學(xué);2012年

本文編號：2723955