疲劳极限以下小载荷强化和损伤试验研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 7 4 1.05MB 64 页 15积分
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摘 要
在变幅载荷下，疲劳极限以下小载荷能够对材料和结构造成疲劳损伤。疲劳
损伤是一个逐渐累积，材料性能不断劣化的过程，现已提出的疲劳累积损伤模型
达数十个之多，这些模型只考虑载荷的损伤，而不考虑疲劳极限以下小载荷的强
化作用。
国内外研究表明，某些金属材料和结构经受一定次数的疲劳极限以下小载荷
锻炼后，其强度（包括静强度和疲劳强度）可以得到强化和提高。这种现象早在
上个世纪就被注意到，而且人们对它的研究一直在不断的深入和扩展，但现有的
研究成果大多是光滑试样的，很少研究实际结构和零件，对于疲劳极限以下小载
荷强化特性的工程应用研究就更少了。
本文作者以实际零件和结构为研究对象，对疲劳极限以下小载荷的强化和损
伤作用进行了试验研究。结果表明经过工艺强化的高强度汽车变速箱圆柱齿轮，
经过疲劳极限以下小载荷的连续锻炼后，疲劳强度和疲劳寿命能够得到进一步的
强化和提高，并得到了强度强化的宏观定性特征和定量规律。疲劳极限以下小载
荷的反复锻炼不会影响和破坏在零件表面已经建立的残余压应力。将疲劳极限以
下小载荷强化特性应用于变速箱磨合试验，变速箱的疲劳寿命能够明显得到提高，
验证了疲劳极限以下小载荷在实际工程应用中的强化作用。
疲劳极限以下小载荷在程序载荷中也具有强化作用，但是强化效果没有小载
荷单独作用时明显。程序载荷中的高载荷对疲劳极限以下小载荷的强化效果有很
大的影响，高载荷造成损伤后，原来最佳强化小载荷不再具有明显的强化效果，
但更低的小载荷却有强化效果。
编制载荷谱时，对疲劳极限以下小载荷应谨慎处理，不能将小载荷视为具有
单一的强化或损伤效果，而应该根据载荷谱进行分析。
关键词：小载荷强化 小载荷损伤 疲劳累积损伤 疲劳强度
ABSTRACT
In the early researches it was considered that small alternating stress which less
than fatigue limit would cause no damage to the components. In the later researches it
was considered that such stress would certainly harmful to components in a very small
extent. It is considered that the procedure of fatigue damage is accumulated and
decreased gradually. The tradition models of fatigue damage accumulation consider that
LAL damage only.
Yet it was also found that, from later researches, element strength would be
increased if the material were applied with LAL at some cycles in advance (‘LAL
strengthen’ or ‘LAL temper’ for short). But most of the researches were carried out on
standard materials; a few of the researches were carried out on components of vehicle;
few were applied on the engineering.
This paper will discuss the strengthening and damage of load below the fatigue
limit by means of testing and studying on the cylinder gear.
The main conclusions are as follows. For single tooth bending of high strength
cylindrical gear strengthened by surface heat treatment, the strengthening effects still
exist after strengthened by LAL. The characteristics of strengthening under low
amplitude load for cylindrical gears were acquired. Fatigue life of transmission gears
was improved. Fatigue strength and fatigue life can be improved without relaxing the
residual stress.
The strengthening effect of low amplitude load was weakened in programmed load
spectrum. The strengthening effect could be increased as the cycles of low amplitude
load increased in programmed load spectrum. The originally optimal strengthening load
was not strengthening effect because of the damaging effect of overload in programmed
load, but less low amplitude load exhibited the strengthening effect. The strengthening
effect of low amplitude was influenced remarkably by the overload cycles of
programmed load.
Key Word：strengthening under low amplitude load, damaging under
low amplitude load strength, fatigue damage, fatigue strength
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ............................................................................................................... 1
§1.1 意义及来源........................................................................................................1
§1.1.1 研究背景..................................................................................................1
§1.1.2 课题意义..................................................................................................2
§1.1.3 课题来源..................................................................................................2
§1.2 国内外研究现状................................................................................................2
§1.2.1 疲劳累积损伤模型..................................................................................2
§1.2.2 小载荷强化..............................................................................................4
§1.2.3 小载荷损伤..............................................................................................8
§1.3 本文的主要内容.............................................................................................11
第二章 疲劳损伤理论基础 ....................................................................................... 12
§2.1 概述...............................................................................................................12
§2.2 疲劳裂纹萌生和扩展机理...........................................................................13
§2.3 S-N 曲线........................................................................................................15
§2.4 疲劳累积损伤理论.......................................................................................16
§2.5 本章小结.......................................................................................................19
第三章 汽车常用载荷及小载荷强化假设 ............................................................... 20
§3.1 汽车常用载荷...............................................................................................20
§3.1.1 汽车载荷谱...........................................................................................20
§3.1.2 载荷删除原则.......................................................................................20
§3.2 疲劳极限以下小载荷强化假设...................................................................21
§3.3 本章小结.......................................................................................................23
第四章 小载荷强化和损伤试验设计 ....................................................................... 24
§4.1 试验对象.......................................................................................................24
§4.2 试验方案.......................................................................................................25
§4.3 设备条件.......................................................................................................26
§4.3.1 台架试验...............................................................................................26
§4.3.2 变速箱磨合试验...................................................................................28
§4.3.3 残余应力试验.......................................................................................28
§4.4 试验步骤.......................................................................................................28
§4.5 本章小结.......................................................................................................31
第五章 小载荷强化试验 ........................................................................................... 32
§5.1 静强度试验...................................................................................................32
§5.2 S-N 曲线........................................................................................................32
§5.2.1 低点数据处理...................................................................................... 33
§5.2.2 高点数据处理.......................................................................................34
§5.2.3 P-S-N 曲线 ........................................................................................... 35
§5.3 小载荷强化试验...........................................................................................36
§5.3.1 不同小载荷试验...................................................................................36
§5.3.2 不同锻炼次数试验...............................................................................38
§5.3.3 静强度试验...........................................................................................41
§5.3.4 变速箱磨合试验...................................................................................43
§5.3.5 残余应力试验.......................................................................................44
§5.4 本章小结.........................................................................................................46
第六章 小载荷损伤试验 ........................................................................................... 47
§6.1 加载方式一...................................................................................................47
§6.2 加载方式二...................................................................................................50
§6.3 本章小结.......................................................................................................53
第七章 结论与展望 ................................................................................................... 55
§7.1 研究结论.......................................................................................................55
§7.3 前景展望.......................................................................................................55
参考文献.........................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果....................................60
致谢......................................................................................................61
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 意义及来源
§1.1.1 研究背景
汽车工业作为发达国家的支柱产业，受到各国政府的重视与支持。我国巨大
的汽车市场和落后的汽车设计技术之间的矛盾，加上国际汽车巨头的夹击，使我
国的汽车工业面临新的机遇与挑战。在政府“自主知识创新、提升竞争力”政策
的鼓励和推动下，我国的汽车设计技术，加快了追赶国际先进水平的步伐，成了
振兴汽车工业的突破口。
国际汽车巨头们自20世纪70年代以来，在汽车载荷、载荷谱、基于载荷谱的
快速评估、结构抗疲劳设计等方面进行了大量深入细致研究。疲劳损伤理论和断
裂力学的发展为这些研究提供了坚实的理论基础，使发达国家的汽车设计从传统
的经验设计过渡到抗疲劳设计到可靠性设计再到轻量化设计。轻量化设计主要有
两种方法，一种方法是对传统材料按疲劳强度理论进行结构可靠性方面的优化设
计；另一种方法是选用高强度轻质材料（如TRIP钢，超轻钢，铝合金，镁合金，
工程塑料，碳纤维等），按传统的许用应力加安全系数的方法进行设计。前一种设
计方法以保证使用可靠性为目标，可使材料的强度潜力得到一定程度发挥，实现
结构的轻量化，同时成本降低。由于汽车成本的80%由材料设计决定，因此，后一
种设计方法的直接后果是成本过高。随着当今市场竞争的加剧，要求产品在保证
使用可靠性的前提下，降低成本。工程技术人员必须要设计出既安全又经济的结
构，适应市场需要。鉴于目前能源短缺、价格上涨及环境污染，国际汽车设计领
域掀起了新的汽车轻量化热潮。
我国在汽车设计与制造技术方面与国际先进水平相比，至今还存在较大差距，
往往偏重于经验设计，较少考虑抗疲劳设计和可靠性设计，轻量化设计就考虑的
更少了。如果采用简单的跟踪国外技术，采用新材料的方法实现汽车轻量化，势
必大大增加制造成本，不符合我国国情。因此采用基于疲劳损伤累积理论的耐久
性设计，将汽车结构进一步轻量化，是发展我国汽车设计与制造的必由之路。
为了使国产汽车赶超国际先进水平，为了能够设计出既安全又经济，适应市
场需要的汽车，必须探索并掌握新的轻量化设计技术。充分考虑疲劳极限以下小
载荷对结构件的强化作用，能够在不提高成本的前提下，使材料和结构的潜力能
疲劳极限以下小载荷强化和损伤的试验研究
2
充分发挥，避免设计时因强度过剩而造成的浪费，实现轻量化设计。因此，进一
步研究疲劳极限以下小载荷的强化和损伤作用，对汽车结构件的轻量化设计就显
得尤为重要了。
§1.1.2 课题意义
汽车使用中遇到的随机载荷，80%是疲劳极限以下小载荷，结构萌生裂纹前，
有可能对结构已经产生了强化。传统的线性和非线性疲劳损伤理论仅以 S-N 曲线
或应变-寿命曲线为基础，很少或几乎不考虑使用过程中的疲劳极限以下小载荷对
结构造成的强度强化，只考虑大载荷对结构造成的损伤，据此进行的结构强度评
估和寿命预测往往是过度偏于安全的，不利于汽车结构的轻量化设计。
如果能够掌握疲劳极限以下小载荷的强化和损伤的规律，就可以在汽车结构
设计时，综合考虑小载荷强化的因素，有目的的将结构的最佳强化应力与该结构
的主要使用载荷相对应，随着使用时间和过程的推移，结构的疲劳强度不断得到
强化和提高，延缓疲劳强度的衰减，延长使用寿命，从而在保证可靠性的前提下，
减小零件结构尺寸或在不增加制造成本的前提下提高零件的疲劳强度，实现真正
意义上的结构轻量化设计。
同时，如果能充分考虑低于疲劳极限小载荷的强化和损伤，将疲劳极限以下
小载荷的强化与疲劳损伤理论相结合，在编制汽车结构件载荷谱时，可以将处于
无强化作用区的小载荷删除，在载荷谱中保留强化锻炼载荷，合理估计大小载荷
的作用，编制出更贴近使用载荷环境的加载谱，能达到更加准确地评估使用寿命
的目的。
总之，疲劳极限以下小载荷的强化和损伤作用的研究对于汽车轻量化设计和
准确评估使用寿命都有重要的理论和实际意义。
§1.1.3 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金（项目编号 50375101），上海市教育委员会重
点科研项目（项目编号 06zz35）的资助。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 疲劳累积损伤模型
疲劳累积损伤理论是研究变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破
坏准则的理论，是疲劳寿命估算的核心问题。
第一章 绪 论
3
最早的进行疲劳累积损伤研究的学者是 J.V.Palmgren[1]。他于 1924 年在估算滚
动轴承寿命时，假设损伤累积与转动次数呈线性关系，首先提出了疲劳损伤累积
线形假设，开创了疲劳累积线性研究的先河。
1945 年Miner[2]又将此理论公式化，形成了著名的 Palmgren-Miner 线性累积法
则（简称 Miner 法则）。并给出了力学前提，即认为在某一等幅疲劳应力作用下，
在每一应力循环里，材料吸收净功相等，当这些被材料吸收的净功达到临界值时，
疲劳破坏发生。但是线性损伤累积法则没有考虑应力之间的相互作用，而使预测
结果与实验值相差较大，有时甚至相差很远。其次线性损伤理论认为低于疲劳极
限的应力不产生疲劳损伤。实际上，低于疲劳极限的应力对扩展己形成的裂纹是
有作用的。同时没有提及低于疲劳极限的小载荷的强化作用。
为了克服线性损伤理论的缺点，后来许多人都提出了修正线性损伤累积理论。
基本曼纳法则EM[3]
（Element Miner Rule）将S-N曲线沿原斜度延长到持久限之
下，就是说假定在损伤累积方面，持久限以下的小载荷的影响也是同样大的。但
是这样可能会使计算结果偏于过分安全。
Hatbach[4]提出MM（Modified Miner Rule）法则企图恰当地考虑持久限以下的
小载荷的影响，避免EM和原始Miner法则两者的缺点，采取折衷的办法，取2K-1
作为S-N曲线延长部分的斜度。MM法则在某些情况下要比原始曼纳法则的预测精
度高一些，但一般来说对疲劳寿命的预测精度提高的并不太多。
Corten和Dolan[5]从他们提出的疲劳损伤的物理模型出发，提出了另一个指数损
伤公式。他们把疲劳裂纹形成和扩展归纳为三个阶段：第一个阶段是在局部地区
产生加工硬化；第二个阶段是在这些局部范围形成微观空穴或微裂纹；第三个阶
段是亚微观空穴或裂纹进一步扩展和结合形成宏观裂纹，继而扩展到断裂。他们
提出的理论中假设低于疲劳极限的应力或低于成核的应力可使裂纹扩展。
Manson[6][7][8]从实验基础上建立了一个损伤理论，他认为试样受到一定应力历
史后，一般说应力历史对高应力疲劳寿命影响较小，对低应力疲劳寿命影响较大。
此外，还有如损伤曲线方法、精确的双曲线损伤规则和损伤双曲线方法等。
到目前为止，先后提出的累积损伤理论已有几十种之多。
总之，从上个世纪20年代开始，前辈们在不断的探索疲劳累积损伤的规律，
不断的取得了一个又一个的进展。到目前为止，形成以S-N曲线或应变-寿命曲线为
基础的研究方法和途径，但是所有这些研究只考虑大载荷对结构造成的损伤，将
强度看作一个衰减函数，认为在循环载荷作用下，材料性能不断劣化，剩余强度
不断降低，直到材料的剩余强度小于循环应力的最大值时发生破坏为止。还没有
人提出在设计时应当考虑疲劳极限以下小载荷的强化作用，事实上，在随机载荷
摘要：

摘要在变幅载荷下，疲劳极限以下小载荷能够对材料和结构造成疲劳损伤。疲劳损伤是一个逐渐累积，材料性能不断劣化的过程，现已提出的疲劳累积损伤模型达数十个之多，这些模型只考虑载荷的损伤，而不考虑疲劳极限以下小载荷的强化作用。国内外研究表明，某些金属材料和结构经受一定次数的疲劳极限以下小载荷锻炼后，其强度（包括静强度和疲劳强度）可以得到强化和提高。这种现象早在上个世纪就被注意到，而且人们对它的研究一直在不断的深入和扩展，但现有的研究成果大多是光滑试样的，很少研究实际结构和零件，对于疲劳极限以下小载荷强化特性的工程应用研究就更少了。本文作者以实际零件和结构为研究对象，对疲劳极限以下小载荷的强化和损伤作用...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：64 页 大小：1.05MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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