用应变寿命和断裂机理的方法分析渗碳件的弯曲疲劳寿命

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1、用应变寿命和断裂力学方法分析渗碳件的弯曲疲劳寿命BendingFatigueLifeAnalysisofCarburizedComponentsUsingStrainLifeandFractureMechanicsApproaches【摘要】驱动桥齿轮一般要进行渗碳，以获得高的接触疲劳、磨损、弯曲疲劳和冲击载荷抗力。本文研究的重点是弯曲疲劳，这是汽车车桥齿轮设计屮需要着重考虑的问题。因为渗碳件从接触区的屮心到渗层的碳含量、硬度、抗拉强度和显微结构的梯度变化很大，并且残余应力是非线性的，所以预测其疲劳寿命是一项复杂而且非常困难的工

2、作。有诸多因素影响车桥齿轮的弯曲疲劳性能，例如齿轮设计、齿轮制造、服役过程中的载荷大小、残余应力分布、钢种和热处理等等。本文研究了渗碳件弯曲疲劳寿命预测的一般方法。将渗碳钢件的复合层作为两种均匀的材料来对待：表层和心部。材料特性分别用模拟渗层和模拟中心试样进行评估。运用两种疲劳寿命分析方法来分析弯曲疲劳寿命：应变寿命法和断裂力学法。所需基本的材料疲劳性能数据包括：应变控制的轴向疲劳试验数据、裂纹扩展速率和断裂韧性。两种疲劳寿命分析方法都包含残余应力分布特征的描述及其对弯曲疲劳寿命的影响。用渗碳的带U型缺口试棒进行弯曲疲劳试验，然

3、后试验结果与寿命预测结果进行比较。对渗碳件弯曲疲劳寿命分析中的几个重要因素如弯曲应力梯度、平均应力、原始缺陷尺寸和残余应力进行了讨论，并纳入在寿命预测中，最后，从正反两个方面对疲劳寿命分析方法进行了比较和概括。1前言渗碳广泛应用于齿轮、轴承和其他高应力机器零件，以提高接触疲劳性能和耐磨性能。除了表面耐久性能以外，弯曲疲劳是渗碳件设计中需要考虑的关键问题，轮齿尤其如此。因此，在过去的二十五年中，人们一直在研究渗碳钢和渗碳件的弯曲疲劳问题。早期开展的工作（1）和（2）主耍集中在4027和X620钢模拟渗层和模拟中心单调循环应力■应变

4、寿命特性，采用的是应变寿命疲劳分析方法。模拟渗层基本呈现的是完全弹性行为，在断裂点的总应变小于1%。模拟中心显示了循环软化，而模拟渗层显示了循环硬化。在疲劳性能方面，两项研究工作都得出了这样的结论：模拟渗层材料因其具有更高的强度在高周情况下要优越一些，而模拟中心材料在低周情况下表现出更高的疲劳抗力。渗层和中心应变寿命曲线的交点大约在100,000次交变（50,000周次）。这两项复杂的研究工作虽然没能使用轴向疲劳数据来预测渗碳件的弯曲疲劳寿命，但是建立了认识渗碳的渗层和中心材料轴向疲劳性能的基础。断裂力学方法也广泛地用于渗碳件和

5、滲碳钢的弯曲疲劳分析（3-7）。在文献（3）中，通过运用线性弹性断裂力学（LEFM）理论建立了表面和次表层残余应力对疲劳寿命影响的模型。残余应力对疲劳寿命的影响可以通过分析因残余应力而导致的应力集中来加以量化。文献（4）进行了各种模拟钢材的断裂韧性Klc试验。对影响表面渗碳钢Klc的多种因素进行了全面的研究，这些因素包括合金元素、残余奥氏体和碳含量。更多的研究工作是在上世纪九十年代进行的，特别是运用断裂力学方法(5-7)对渗碳齿轮轮齿弯曲疲劳的分析。文献(5)提出了一种独特而原始的分析方法。将渗碳轮齿处理成碳含量和硬度连续变化的

6、合成材料。渗碳钢的疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性作为硬度的函数进行描述。残余应力也通过硬度分布加以估算。然后运用LEFM理论计算齿轮弯曲疲劳寿命，并且估算轮齿弯曲强度。在文献(7)中，根据软件包CRACKS(16)运用断裂力学方法对轮齿弯曲疲劳寿命进行了分析，估算钢材和残余应力对轮齿弯曲疲劳寿命的影响。预测的疲劳寿命与单齿疲劳试验数据的相关性好。除了应变寿命和断裂力学两种方法以外，带缺口试棒和单齿疲劳试验也广泛地用來评估齿轮弯曲疲劳性能(8-9)o在文献(8)中，用带缺口的试棒在弯曲载荷下做了大量的试验工作，评价了几种因素的影响，例

7、如钢的化学成分、中心硬度、渗层深度和加载速率等等。Dowling及其合作者也利用带缺口试棒研究了渗碳工艺、合金化、表面氧化和次表层的残余应力对弯曲疲劳性能的影响。科罗拉多州矿业学校(ColoradoSchoolofMines)的先进钢处理技术和产品研究中心(AdvancedSteelProcessingandProductsResearchCenter,ASPPRC)。，从上世纪八十年代以来，一直在开展渗碳齿轮钢弯曲疲劳方面的研究工作。通过对改进的Brugger悬臂梁型试样进行试验推导出应力■寿命曲线，用应力■寿命曲线来描述渗碳

8、钢的疲劳性能。然而，他们研究的重点是合金化、热处理和显微结构对弯曲疲劳性能的影响。ASPPRC的研究并不涉及弯曲疲劳寿命分析或寿命预测，这对能是由于他们的研究重点在于钢和处理技术有关。如上所述，虽然进行了大量的研究工作，但针对寿命分析或寿命预测的研究部分很少,特