应力幅间交互作用对结构钢超高周变幅疲劳性能的影响及微观机理的研究

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1、国内图书分类号：TB31；O346.2密级：公开国际图书分类号：531.8；539.4西南交通大学研究生学位论文应力幅间交互作用对结构钢超高周变幅疲劳性能的影响及微观机理的研究年级二〇〇九级姓名周蒙蛟申请学位级别博士专业固体力学指导老师王弘教授二〇一七年十一月ClassifiedIndex:TB31；O346.2U.D.C:531.8；539.4SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationEXPERIMENTALANDTHEORETICALS

2、TUDYONSTRESSINTERACTIONOFSTRUCTURALSTEELUNDERVARIABLEAMPLITUDELOADINGINULTRA-HIGHCYCLERANGEGrade:2009Candidate:ZhouMengjiaoAcademicDegreeAppliedfor:DoctorSpeciality:SolidMechanicsSupervisor:Prof.WangHongNovember,2017西南交通大学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

3、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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密□，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的

4、内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1.提出超高周疲劳裂纹内部萌生的过程是：首先在夹杂物周围高应力区间隙碳原子富集析出的碳化物颗粒与冶炼造成偏析的碳化物颗粒致使微裂纹萌生；微裂纹向夹杂物方向合并长大，当长大到一定程度时致使夹杂物快速脱粘形成撕裂棱或撕裂台阶；经过一段时间的调整后形成完整的GBF区，最终形成可扩展的宏观裂纹。2.首次开展LZ50

5、车轴钢和50CrVA弹簧钢超高周变幅疲劳性能研究工作，较系统地测试了50CrVA钢淬火回火态、退火态和LZ50钢正火态的超高周变幅疲劳性能。获得了预加载幅值和预加载步长对材料超高周变幅疲劳性能的影响规律。3.首次提出了超高周变幅疲劳“应力时效”机制。并结合金属学和材料科学理论阐述了超高周变幅疲劳“应力时效”强化和弱化的机理。指出铁素体强化是铁基材料超高周变幅疲劳应力时效强化的基础，分析了引起材料不同的应力时效作用效果的原因。并分析了不同预加载条件对材料超高周变幅疲劳寿命影响。4.首次建立了考虑“应力

6、时效”机制的超高周疲劳寿命预测模型，并结合试验结果，验证了模型的合理性。学位论文作者签名：日期：西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要随着我国高铁建设的迅猛发展，对高铁用材料的基础性能研究提出了更高的要求，其中材料的超高周疲劳性能日渐被工程界及研究人员所重视。多数机械、建筑及其构件（如火车，汽车，桥梁，铁路等）在服役中不但承受变幅循环载荷，同时还要承受9极大数量的“疲劳极限”以下小载荷的作用，这些小载荷的循环周次往往达到10周甚7至更高。超声疲劳试验方法作为一种可靠的加速疲劳试验方法，在进行10周

7、及以上循环周次的超高周疲劳性能研究方面有着巨大的优势，并且通过多年的积累在超高周疲劳行为的研究方面取得了丰富的成果，为现有的疲劳设计规范提出了大量宝贵的经验。50CrVA钢作为动车弹簧用材料，LZ50钢作为车轴用材料，都是重要的结构材料，用量大，安全性要求高。本文采用超声疲劳试验方法，结合扫描电镜、微区成份测试等微观分析技术手段，对LZ50钢和两种不同热处理状态的50CrVA高强弹簧钢在超高周疲劳范围内的恒幅及变幅疲劳性能与断裂机理进行了研究。恒幅疲劳试验研究结果表明：材料微观组织结构的不同决定了其

8、S-N曲线形态和超高周疲劳裂纹萌生方式的差异。本文分析认为，在超高周疲劳阶段，疲劳裂纹表面萌生是由于材料表面个别晶粒承受应力集中产生塑性变形，塑性变形累积发展导致材料疲劳破坏；而疲劳裂纹内部萌生是由于在夹杂物周围高应力区间隙碳原子富集析出的碳化物颗粒与冶炼造成偏析的碳化物颗粒致使微裂纹萌生，微裂纹向夹杂物方向合并长大，当长大到一定程度时致使夹杂物快速脱粘形成撕裂棱或撕裂台阶，经过一段时间的调整后形成完整的GBF区，最终形成可扩展的宏观裂纹。两种裂纹萌生方式在超高周疲劳