| 具有表层梯度微结构S38C车轴钢的疲劳行为研究 |
| 英文题名 | Investigations on Fatigue Behavior of S38C Axle Steel with Its Surface Layer of Gradient Microstructure
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| 张诗佳
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| 导师 | 洪友士
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| 2017
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 疲劳断裂问题是承力构件的关键力学问题之一。疲劳损伤往往从材料表面起源，因此通过表面强化来提高材料的整体疲劳性能是常用的方法。主要的表面强化措施包括渗碳、渗氮、喷丸、表面淬火、机械研磨等。经过表面强化的材料，强化层和内部基体之间存在微结构梯度。梯度变化的显微结构会相应地影响材料硬度、强度、塑性等力学参量，并与复杂的应力状态耦合。这使得具有表层梯度微结构材料的疲劳行为在不同梯度层位置各不相同。本文的研究以S38C车轴钢为实验材料。该车轴钢目前用于我国CRH2型动车组动车轴和拖车轴中，材料经过表面感应淬火处理，从表面到内部存在显微结构变化的梯度层。进行实验研究的试样保持实际车轴表层具有的原始微结构梯度。针对工程实际需求和科学问题对此种材料进行了疲劳实验，获得了材料的疲劳性能。 实验显示经表面感应淬火的S38C车轴钢，存在显微结构的变化，相应的硬度、强度、残余应力等力学参量沿深度的梯度分布。车轴材料表层的显微组织为典型的回火马氏体组织；距表面深度2 mm至6 mm为梯度微结构层，该区域的显微组织为回火马氏体组织与珠光体和铁素体的混合组织特征；距表面深度6 mm后，逐渐趋于珠光体和铁素体的混合组织特征。梯度微结构层内的硬度和最大拉伸强度随着距表面深度的增加都有很大幅度的下降。此外，在表层梯度微结构材料的表层存在较大的残余压应力，随着距表面深度增加而逐渐减小，最后转为较小的残余拉应力。 经表面感应淬火处理后的材料疲劳强度明显提升，实验得到了含1.0 mm 深V型缺口试样，在1亿周次循环加载下的疲劳强度为230 MPa。对试样两侧表面的观察发现在230 MPa至260 MPa的循环应力幅值范围内，疲劳裂纹萌生后其长度不超过1.3 mm，通过缺口影响的分析解释了这种现象是由缺口疲劳短裂纹引起的。 三点弯曲疲劳裂纹扩展实验，观察到疲劳裂纹在距表面深度3 mm内会减速甚至停止扩展的现象，获得了在梯度层内不同深度位置材料的疲劳裂纹扩展速率的数据。并采用改进的Paris公式，拟合出梯度材料的疲劳裂纹扩展速率、应力强度因子幅值和深度关系的曲面来描述材料的疲劳裂纹扩展规律。通过对曲面的分析，发现应力强度因子门槛幅值呈先增大后减小的趋势。 最后通过分析疲劳裂纹扩展中残余应力分布的影响，表明材料表层存在的残余压应力将应力强度因子门槛幅值提高了一倍，同时使得疲劳裂纹在距表面深度3 mm内的扩展速度明显下降。结合材料自身显微结构和力学属性的分析表明，在梯度微结构层内，铁素体与珠光体的正火态组织相比回火马氏体组织，其应力强度因子门槛幅值更高，在相同应力强度因子幅值下疲劳裂纹扩展速率越慢；另一方面循环塑性区尺寸随着距表面深度增加而显著增加，使得疲劳裂纹在梯度层内扩展时的闭合应力越来越大，造成了与外载过载相同的影响。两个因素都使得疲劳裂纹扩展速率逐渐降低，甚至停止扩展。 |
| 索取号 | Phd2017-024
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60429
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| 专题 | 非线性力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
张诗佳. 具有表层梯度微结构S38C车轴钢的疲劳行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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