缺口對軸類零件疲勞壽命的影響.pdf

1、實際工程中普遍存在于軸類零件上的缺口現(xiàn)象如臺階、鍵槽、孔等一直是疲勞斷裂研究領(lǐng)域的重要問題之一。目前關(guān)于疲勞問題的深入研究及獲得的疲勞壽命的預(yù)測模型多集中在單軸載荷情形，然而一方面工程實際中單軸載荷情形很少存在；另一方面即使在零件上只附加單軸載荷，但由于缺口幾何形狀等的影響，在缺口處應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，仍以單軸考慮顯然不夠準(zhǔn)確。考慮多軸載荷，對多軸疲勞問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究具有重要的理論意義和工程實用價值。
　　兩軸載荷下疲勞問題的

2、研究可為多軸疲勞問題的解決提供理論基礎(chǔ)，也可為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計提供指導(dǎo)。本文主要研究了兩軸載荷下的缺口因素對工件疲勞性能的影響，對45鋼樣品缺口軸進(jìn)行了軸向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷下的疲勞實驗測量和分析，揭示了缺口應(yīng)力強度因子與疲勞壽命之間具有良好的相關(guān)性。論文的主要工作和結(jié)果如下：
　　1.局部能量積聚是裂紋萌生的重要原因之一。裂紋萌生是受剪切控制的、在持續(xù)滑移帶上進(jìn)行的。文中分析了疲勞裂紋萌生機理，發(fā)現(xiàn)裂紋多在持續(xù)滑移帶處、材料缺陷處、晶間

3、裂紋處和應(yīng)力集中等處萌生。它們的本質(zhì)都是局部能量積聚達(dá)到一定程度后出現(xiàn)的晶粒位移導(dǎo)致的。
　　2.軸向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷下疲勞壽命的機制有所不同。在EHF-EM100KN電液伺服疲勞試驗機上，對薄壁管型和沙漏型實心樣品進(jìn)行了六種載荷情形下的疲勞試驗(軸向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、軸-扭同相載荷、兩種軸-扭異相載荷、具有靜拉伸的扭轉(zhuǎn)載荷)。發(fā)現(xiàn)軸向載荷下,裂紋一旦萌生，則很快出現(xiàn)損毀，幾乎沒有第二階段擴展，疲勞壽命主要由裂紋的萌生壽命決定；而扭轉(zhuǎn)

4、載荷下,在裂紋萌生之后仍有較長的裂紋擴展階段，也就是扭轉(zhuǎn)載荷下裂紋的萌生及擴展都是裂紋疲勞壽命的重要組成部分。
　　3.軸向載荷下缺口深度、缺口尖端半徑和缺口張角對疲勞性能影響程度不盡相同。使用EHF-EM100KN電液伺服疲勞試驗機，對光滑樣品和缺口樣品進(jìn)行了正弦波加載的軸向疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)光滑樣品比缺口樣品疲勞性好，淺缺口樣品比深缺口樣品疲勞性好。進(jìn)一步研究表明：缺口深度直接影響軸向載荷下工件的疲勞壽命n，在缺口深度和樣件半徑之

5、比不大于0.3的范圍內(nèi)（即2a/D），隨該比值增大，疲勞壽命極具縮短，當(dāng)比值大于0.3時由于樣件凈截面積減小致使凈應(yīng)力增大較多，樣件疲勞性能已經(jīng)很差，這時比值對疲勞壽命影響已不再具有決定性；缺口尖端半徑越小，軸向疲勞壽命越短；缺口張角在軸向載荷下對疲勞壽命幾乎沒有影響。
　　4.扭轉(zhuǎn)載荷下旋轉(zhuǎn)角度幅和應(yīng)力強度因子與疲勞壽命間具有很好的相關(guān)性。使用EHF-EM100KN電液伺服疲勞試驗機，對具有相同缺口張角，不同缺口深度的V缺口軸進(jìn)

6、行了正弦波加載的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度幅的對數(shù)與載荷循環(huán)次數(shù)存在較好線性的相關(guān)性。另外扭轉(zhuǎn)載荷下的應(yīng)力強度因子也與疲勞性能具有線性相關(guān)性，應(yīng)力強度因子越大，疲勞壽命越短。
　　5.兩軸疲勞時疲勞壽命隨缺口應(yīng)力強度因子的增加而縮短。使用有限元軟件對缺口尖端進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)缺口尖端鄰近區(qū)域應(yīng)力集中情況及應(yīng)力分布隨離缺口尖端距離的變化而改變，且兩軸載荷下應(yīng)力強度因子也與疲勞壽命具有很好的相關(guān)性：即缺口應(yīng)力強度因子越大，疲勞壽命越小