初始缺陷对轴承钢疲劳性能影响的定量分析.pdf

《初始缺陷对轴承钢疲劳性能影响的定量分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、北京石油化工学院学报第18卷第2期Vo1．18NO．2JournalofBeijingInstituteof2010年6月Jun．2010Petro—chemicalTechnology初始缺陷对轴承钢疲劳性能影响的定量分析*孟波戴静君穆青(北京石油化工学院机械工程系，北京102617)摘要在轴承钢冶炼和生产制造过程中，总是不可避免的带有多种夹杂物和化学成分不均匀区，由于这些微观初始缺陷演化而导致的结构失效等造成了严重的经济损失和安全事故。通过对轴承钢中夹杂物的分析，利用三维有限元方法研究了典型夹杂物的局部微观力学行为，分析

2、了夹杂物的分布状态、位置、大小等因素对局部微观力学行为的影响，给出了相应的函数表达式，并在此基础上定量分析了夹杂物状态对疲劳寿命的影响，为建立微观组织结构与初始疲劳质量的等效关系并最终实现轴承钢疲劳耐久性的定量预测提供了一种思路。关键词轴承钢；夹杂；应力／6变集中；疲劳寿命中图法分类号TH114；0346轴承在很多大型机械中得到了广泛应用，1试验材料及夹杂物结构安全性要求轴承材料必须具有良好的静力学和动力学性能_1]，对材料的上述要求与材料1．1试验材料的纯洁度和均匀性密切相关[2]。在轴承钢冶炼试验所用的材料为退火状态的G

3、Crl5轴和生产制造过程中，总是不可避免的带有多种承钢。在常温下，其有关参数如下：弹性模量夹杂物和化学成分不均匀区l3]，由于这些微观E一212GPa，屈服强度以一350MPa，抗拉强度初始缺陷演化而导致的设备停车、结构失效等为一600MPa，泊松比v一0．29。1．2夹杂物分析造成了极大的经济损失和安全事故]，因此人GCrl5轴承钢内的夹杂物按结构组成主们对轴承钢中夹杂物对其疲劳耐久性能的影响要分为4类[7]：(1)以硫元素为主的A类硫化进行了研究_5，认为夹杂物的存在破坏了基体物夹杂，对疲劳寿命影响不大；(2)氧元素和铝

4、材料的连续性，在其周围容易产生应力／应变集元素形成的AlO。夹杂物，对轴承钢的疲劳寿中，加速了初始疲劳裂纹的产生。命危害较大；(3)硅酸盐和铝酸盐夹杂物，服役以往研究中定性分析较多，而对夹杂物的过程中，容易造成应力集中，降低轴承钢的疲劳大小、形状、分布状态和所处位置以及相互之间寿命；(4)以镁铝尖晶石和氮化钛为主要成分的的作用等对轴承钢内部应力／应变集中程度和硬脆性夹杂物。夹杂物分布主要呈现出以下特疲劳寿命的影响缺乏定量化的描述j。笔者以点：(1)夹杂物的形状非常不规则，既有长条状、目前广泛使用的高碳铬轴承钢中典型夹杂物为球

5、状，又有团簇状，分布不均匀，局部夹杂物的研究对象，通过有限元方法建立计算模型，分析含量高；(2)夹杂物的成分不同，并且不同成分了夹杂物对局部应力、应变状态的影响，并在此的夹杂物形状不同，大小也不同；(3)夹杂物与基础上定量给出了夹杂物尺寸、分布状态等对基体材料不能很好的结合，软的形成孔洞，硬性轴承疲劳性能的影响。夹杂易与基体脱离，形成间隙。2计算方法收稿日期：2010—01—2l基金项目：北京市教委科技发展计划资助项目，项目2．1基本假设号：KM200910017007。为了简化计算模型，作如下假设：14北京石油化工学院学报

6、2010年第18卷(1)对于硫化物等强度低于基体材料的非d，试样直径d一10mm，长度z一50mm，夹杂金属夹杂物，容易形成孔洞，而氧化铝等硬性夹物距离中心的位置为S，距自由面(圆柱面)的杂物易于基体脱离形成间隙，其微观力学行为距离为M，相邻夹杂物之间的距离为L。分析变化与孔洞接近]，因此，以孔洞缺陷进行等效单个夹杂物大小以及分布位置对应力／6变集研究；中的影响时，每种夹杂物计算了以下模型：d一(2)各个夹杂物的形状并不是规则的，然而3O，5O，80，100Fm，S一0，1．5，3，4，4．4，Murakami等研究结果显示

7、，如果两个缺陷的4．7mm等8种模型。分析夹杂物相邻距离不等效长度~／A相等(A指的是缺陷在垂直于最同以及分布位置对应力／6变集中程度的影响大拉应力方向的平面上的投影面积)，那么它们时，夹杂物大小均为d一50肚m，分别计算了以的形状对材料的疲劳行为的影响可以忽略l_8]，下模型：L一0．12，0．20，0．30，0．60mm，S一0，因此，模型中采用等效球体缺陷代替复杂构型1．5，3，4，4．2，4．5，4．75，4．85mm。所有模型的夹杂。的远场拉应力为一0．3ab一105MPa，以模拟2．2计算模型应力疲劳下的力学行为

8、。几何模型如图1所示，夹杂物的直径为＼’／／IS】MJ．．L丝．『hh——·{·——-—(a)几何模型(b)单夹杂物参数(c)双夹杂物参数图1计算模型示意图采用ANSYS软件建立有限元模型进行数以及材料的基本参数可以得到该材料的，和b值求解，单元选用Solid95立体单元，对模型进分别为1