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基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型

基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型

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第三届中国超高周疲劳学术会议

作者：邓海龙李伟孙振铎 nehila abdelhak 刘鹏飞北京理工大学机械与车辆学院

当前在航天、航空及车辆等领域中,机械部件的实际承载周期已远超10,甚至达到10-10。同时,发生在这个超长寿命区(>10 cycles)的疲劳失效现象,屡见不鲜。因此,明确合金钢超长寿命疲劳失效机理,提出合适的超长寿命预测方法已成为当前疲劳... 详细信息

当前在航天、航空及车辆等领域中,机械部件的实际承载周期已远超10,甚至达到10-10。同时,发生在这个超长寿命区(>10 cycles)的疲劳失效现象,屡见不鲜。因此,明确合金钢超长寿命疲劳失效机理,提出合适的超长寿命预测方法已成为当前疲劳研究领域的一个热点。本文旨在研究夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发疲劳失效的超长寿命预测模型。然而,现有的超长寿命预测模型或方法多以裂纹扩展为基础,未虑及细晶粒区(fine granular area,FGA)、裂纹长度及裂纹萌生等对由内部夹杂诱发疲劳失效的影响。众所周知,疲劳过程是由裂纹萌生和裂纹扩展两方面组成。尤其在低应力-长寿命区,裂纹的萌生应占据一定的比重.因此,同时虑及裂纹萌生及扩展的影响,进而建立全寿命预测方法,亟待研究。在本研究中,基于Cr-Ni-W合金钢超长寿命疲劳试验结果及夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发失效的疲劳特征,结合局部应力-寿命法和位错-能量法,分别构建了局部裂纹萌生寿命模型(local crack initiation life,LCIL)和考虑夹杂及细晶粒区影响的裂纹萌生寿命模型(inclusion and FGA based crack initiation life,IFCIL),并与传统Tanaka-Mura裂纹萌生寿命模型(T-M)进行了对比分析。其次,考虑裂纹从小到长的扩展特征,将细晶粒区作为小裂纹与长裂纹扩展行为的转换点,提出了小裂纹+长裂纹扩展模型,最终形成了包含裂纹萌生和扩展在内的全寿命预测模型。比较之下,IFCIL模型有较好的预测精度。在同一裂纹长度下,高应力区的裂纹萌生较快,而在低应力区的裂纹萌生较慢。在高应力区,同一应力幅值下的疲劳寿命随着裂纹长度的减小而明显减少。但在低应力区,这一趋势并不明显。当裂纹长度近似为细晶粒区半径时,其裂纹萌生寿命几乎等同于全寿命。随着应力幅值的降低,裂纹扩展寿命在全寿命中的比重会越来越低,即使在整体上,裂纹扩展寿命占全寿命的比重也较小。全寿命预测精度在±2倍偏差以内,可有效预测夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发疲劳失效的超长寿命。

关键词：超长寿命疲劳夹杂起裂细晶粒区鱼眼寿命预测

来源： cnki会议评论

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渗碳CrMn齿轮钢超高周疲劳行为及强度预测模型研究

渗碳CrMn齿轮钢超高周疲劳行为及强度预测模型研究

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第三届中国超高周疲劳学术会议

作者：孙振铎李伟邓海龙 nehila abdelhak 刘鹏飞北京理工大学机械与车辆学院

在机械工业中,为了提高工程设备和机械结构中的齿轮、轴等传动关键零部件的耐磨、抗腐蚀及抗疲劳性能,常对其采取渗碳等表面强化处理。近年来,由于轴、齿轮等关键零部件的超长服役寿命需求越来越高,这使得表面强化钢在超高周区(10-10)... 详细信息

在机械工业中,为了提高工程设备和机械结构中的齿轮、轴等传动关键零部件的耐磨、抗腐蚀及抗疲劳性能,常对其采取渗碳等表面强化处理。近年来,由于轴、齿轮等关键零部件的超长服役寿命需求越来越高,这使得表面强化钢在超高周区(10-10)的疲劳行为受到了极大的关注。最近研究表明,表面强化钢或高强度钢在超高周区的疲劳失效主要诱发于内部的非金属夹杂。从而,夹杂的大小、分布等特性与材料的超高周疲劳强度之间建立了密切的联系。基于夹杂与小裂纹的等效关系,Murakami等考虑材料硬度、夹杂几何尺寸的影响率先提出了疲劳强度预测模型。随后,考虑应力比、累计损伤等因素的影响,部分学者也相继提出了一些修正模型。但是夹杂尺寸/分布、应力、寿命之间的关系仍没有得到很好的诠释。因此,十分有必要继续开展针对夹杂诱发疲劳失效的强度预测模型的研究。本文开展了渗碳Cr Mn齿轮钢的超高周疲劳试验研究,分析了其在超高周区的疲劳行为及破坏机理,探讨了诱发失效的内部夹杂尺寸、疲劳寿命、施加载荷之间的关系,同时基于广义帕雷托分布(generalized Pareto distribution,GPD)和广义统计极值分布(Generalized Extreme Values,GEV)对夹杂尺寸分布特性进行了比较分析,进而构建了一定概率条件下的夹杂尺寸-强度-寿命预测模型。结果表明,渗碳Cr Mn齿轮钢的疲劳失效主要包含加工缺陷诱发的表面失效以及夹杂诱发的内部失效;当疲劳寿命N>10时,内部夹杂诱发失效成为主要的破坏模式;建立的夹杂尺寸、应力幅值、疲劳寿命之间的关系能很好表征渗碳Cr Mn齿轮钢的中值S-N数据;从概率疲劳设计角度,基于GPD构建的概率夹杂尺寸-强度-寿命预测模型的预测结果偏于保守,而基于GEV构建模型的预测结果相对适合。

关键词：渗碳齿轮钢超高周疲劳夹杂统计分布疲劳强度

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