基于红外热像法的20Cr2Ni4A齿轮钢材料疲劳极限快速预测研究

论文摘要

20Cr2Ni4A是优质合金钢,强度高,韧性及淬透性好,且具有表面硬化耐磨性高、渗碳淬火后韧性好等特点,广泛应用于大型机械设备重载齿轮的设计制造中。重载齿轮是大型机械装置（推土机、挖掘机、装甲车等）传动系统的核心部件,其主要功能是以指定的速度比传递运动和扭矩。在实际工程应用中,由于大负载,强应变和长周期的影响,重型齿轮经常引起各种问题。其中,疲劳造成的断裂失效占整个结构失效的80%以上,因此疲劳问题成为制约其安全应用的瓶颈。所以,在机械设计中,必须首先清楚材料的疲劳性能。长期以来,传统疲劳实验方法在确定材料疲劳性能参数方面发挥了重大的作用。但是,传统方法实验周期长、耗费高、效率低的缺点制约了结构优化设计过程中经济效益的提高,材料的疲劳性能并非容易获得。所以,亟需发展新的疲劳评估方法以满足现代化设计的高要求。疲劳过程试验机对试样做的机械功,产生的能量耗散宏观反映为材料表面非均匀温度场的变化。红外热成像技术作为一种实时、非接触、全场和无损的测温手段能够实时地监测不透明材料表面温度信号的变化规律,为疲劳研究提供了新的方法。本文基于红外热像法和能量耗散理论,研究材料在疲劳循环加载过程中表面的温度信号、受应力状态和裂纹结构等损伤指标的变化规律,实现对材料疲劳极限的快速预测和应力状态的分析。建立快速预测理论模型,结合传统试验方法对模型精度进行验证;同时,研究渗碳热处理工艺与材料疲劳性能的关系,阐述导致疲劳断裂机理。结果表明:试样在疲劳循环载荷的作用下,当应力水平较低时,温升很小,几乎为零。随着循环应力水平的提高,温升开始增加,出现明显的初始快速温升阶段和稳定温升阶段。循环温升曲线的初始温升速率与稳定温升值之间存在良好的相关性,前期呈类线性缓慢增长,直到临界应力处温升速率出现快速增大,因此利用稳定温升值和初始温升速率θ来预测疲劳极限。红外热像法中的Luong法和Crupi法具有较好的材料能量耗散理论支撑,在应力比R为-1的对称应力状态下,以成组法实测的疲劳极限500MPa为参照,Luong法准确性较高,以稳定温升增量?TAS为参数预测的537.5MPa误差约为7.5%,而Crupi法预测的298MPa误差则高达-40.4%;Luong法稍偏于危险,Crupi法则过于保守,因此可将Luong法快速预测的疲劳极限降低50MPa作为工程疲劳极限参考值。另外,从试验数据处理过程中总结了影响红外热像法预测准确性的因素,并加以分析和解决。在试验过程中发现,由于环境温度等因素会造成温度波动,使预测结果分散,从而影响了红外预测精度,因此采用了数据连续化处理的方法,使预测结果能够唯一确定,可大幅度减小预测误差,将预测误差减少至5%以内。最后,对齿轮在实际服役环境中的啮合状态进行了分析,根据啮合齿之间的接触状态总结出四个过程,并通过悬臂梁精确计算出齿轮齿面啮合处的受力位置与受力数值。采用弯曲应力状态下的悬臂梁试验方法,利用红外热像法成功快速预测了弯曲疲劳极限值。结果证明红外热像法对于弯曲应力状态的预测是可行的。基于应变增量的疲劳极限快速预测方法,探讨了梯度交变循环载荷下试样表面温度随应变变化的规律,初步探索了红外热像法预测齿轮零件疲劳极限的可行性。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 疲劳设计研究概述

1.2.1 疲劳寿命理论发展历程

1.2.2 机械零件抗疲劳设计方法

1.2.3 机械零件疲劳寿命预测常用理论

1.3 红外热像法快速预测疲劳极限

1.3.1 红外热像法能量耗散原理

1.3.2 红外热像法国内外研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第2章疲劳行为中的能量耗散及能量平衡理论

2.1 引言

2.2 热力学理论基础

2.3 疲劳产热机理

2.3.1 材料的粘弹性行为

2.3.2 材料的塑性变形

2.4 红外热像法快速预测材料疲劳极限理论模型

2.4.1 以稳定温升值为参数的疲劳极限快速预测

2.4.2 以初始温升速率为参数的疲劳极限快速预测

2.5 红外测温数据处理及拟合方法

2.5.1 Risitano法（单线法）

2.5.2 Luong法（双线法）

2.5.3 Crupi法

2.6 本章小结

第3章试验材料及试验方法

3.1 试验材料及设备

3.1.1 试验材料

3.1.2 试验设备

3.2 试验方法

3.2.1 静载拉伸试验

3.2.2 拉伸疲劳试验

3.3 试验数据处理方法

第4章红外热像法表征20Cr2Ni4A材料静载拉伸行为

4.1 引言

4.2 净化前20Cr2Ni4A材料静载拉伸性能

4.2.1 净化前材料应力-应变曲线及断口形貌

4.2.2 净化前材料静载拉伸同步温升变化曲线

4.3 净化后20Cr2Ni4A材料静载拉伸性能

4.3.1 净化后材料应力-应变曲线及断口形貌

4.3.2 净化后材料静载拉伸同步温升变化曲线

4.4 20Cr2Ni4A试样迟滞回线

4.5 本章小结

第5章齿轮钢材料疲劳极限快速预测研究

5.1 引言

5.2 渗碳热处理20Cr2Ni4A对称应力S-N曲线及断口形貌

5.2.1 试验方法

5.2.2 对称应力S-N曲线及断口形貌

5.3 渗碳热处理20Cr2Ni4A非对称应力S-N曲线及断口形貌

5.4 对称应力状态下（R=-1）预测精度分析

5.5 非对称应力状态下（R=0.5）预测精度分析

5.6 非对称应力状态下（σm=700MPa）预测精度分析

5.7 提高红外热像法快速预测疲劳极限可靠性的方法

5.8 本章小结

第6章基于红外热像法预测齿轮零件疲劳极限

6.1 引言

6.2 齿轮在服役过程中受力状态分析

6.3 红外热像法预测超高周弯曲疲劳极限

6.4 基于应变增量的疲劳极限快速预测研究

6.4.1 理论模型与试验方法

6.4.2 对称应力状态下应变增量法快速预测疲劳极限

6.4.3 非对称应力状态下应变增量法快速预测疲劳极限

6.5 红外热像法预测齿轮零件疲劳极限可行性分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周进驰

导师: 芦笙

关键词: 疲劳损伤,能量耗散,热像法,疲劳参数,疲劳机理

来源: 江苏科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 江苏科技大学

分类号: TG142.33

总页数: 89

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