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履带式推土机的等温球铁材料支重轮硬化层裂纹扩展的研究

作　者: 刘畅
导　师: 郭旭红
学　校: 苏州大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 等温淬火球墨铸铁(ADI) 热处理参数支重轮剥落裂纹扩展速率仿真分析
分类号: TG156.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 15次
引　用: 1次
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内容摘要

等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron,简称ADI)是一种新型球铁材料,因具强度高、韧性好、抗磨损、耐低温,密度抗拉强度比值低,弯曲接触疲劳强度高,吸震降噪性能好,综合力学性能优,以及生产成本低,经济效益好等众多独特的优点,被广泛地应用到航天、船舶、车辆和重工业领域。对于一些重型机械来说,履带行走装置的维护费用占了成本比较大的部分,所以许多公司都是从这方面进行研究以降低成本。在国外,一些重型机械的支重轮已经尝试使用ADI材料制造,而且取得了比较好的效果。磨粒磨损以及支重轮硬化层的剥落是影响支重轮使用寿命的重要因素,而支重轮表面层下裂纹的萌生与扩展,是造成硬化层剥落的原因。所以研究ADI材料支重轮表面下的裂纹,可以为预测支重轮的剥落寿命提供一定的依据。ADI优异的综合力学性能归功于对球墨铸铁所采用的等温淬火热处理工艺,尤其是等温淬火温度和等温淬火时间对其性能的影响。本文采用900℃奥氏体化温度,90min奥氏体化时间,120min等温淬火时间,三种不同等温淬火温度(分别为260℃、310℃、360℃)的热处理参数,对LZQT500-7球墨铸铁制成的试样进行等温淬火处理。对各组的ADI试样进行拉伸实验及裂纹扩展实验,研究等温淬火温度对ADI材料的弹性模量以及裂纹扩展速率的影响。运用整体拟合的方法处理裂纹扩展数据,算得三种不同ADI材料的裂纹扩展参数。用ANSYS有限元仿真,通过在支重轮模型上施加正弦载荷,分析三种不同ADI材料支重轮的接触区域大小及受力情况,用赫兹公式验证其可靠性后,比较了最大接触应力与材料的屈服强度。用ANSYS中计算得到的接触应力与接触区域尺寸,在FRANC2D/L软件中建立支重轮的受力模型,研究了表面层下裂纹端点处的应力强度因子。在考虑了摩擦的情况下,以Paris公式以及计算有效应力强度因子的方法,选择应力强度因子范围最大处的裂纹进行裂纹扩展仿真,估算出三种不同ADI材料支重轮硬化层中裂纹的扩展次数。结果表明:1.随着等温淬火温度在260℃至360℃区间里增加,ADI材料的屈服强度不断减小。在260℃为最高的1329Mpa。等温淬火温度对材料弹性模量的值影响不大,但是可以看出,随着等温淬火温度的增加,弹性模量处于略微的增加状态。在等温淬火温度为260℃至360℃时,ADI材料的裂纹扩展速率随着等温淬火温度的增加而不断减小。随着裂纹长度的增加,等温淬火温度为310℃与360℃ADI材料的裂纹扩展速率有逐渐接近的趋势。2.三种不同等温淬火温度材料的支重轮受到的接触应力与接触斑尺寸相差不大。以赫兹公式验证了计算得到的接触应力与接触区域大小的可靠性后,发现随着等温淬火温度的增大,接触应力越来越接近屈服强度。.3.在不考虑摩擦力的情况下,裂纹点处的应力强度因子KI值都为负值。随着裂纹深度的减小以及裂纹长度的增加,KI的绝对值不断变大;且裂纹越接近轮体的中心轴线,KI的绝对值就越大。裂纹左右两端点的KII的绝对值随着裂纹深度以及裂纹长度的减小而不断增大;在裂纹中心点距离支重轮中心线距离为3mm左右处,KII值变化幅度较大,这是因为支重轮的受力接触区域大小为6mm左右。同时可以看出,由于支重轮受力模型是对称的,此时应力强度因子的绝对值有一定的对称性。4.在考虑摩擦力后,以支重轮顺时针转动为例,同一位置的裂纹点处的应力强度因子KII有所减小。随着选择的摩擦系数的不断增加,KII值也越来越小。等温淬火为360℃时,裂纹的扩展次数最大;310℃时的裂纹扩展次数次之;260℃时最小。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-20
  1.1 履带式推土机综述  11-15
    1.1.1 概述  11
    1.1.2 履带式推土机的现状及发展趋势  11-14
    1.1.3 履带式推土机支重轮  14-15
  1.2 有限元软件ANSYS  15-16
  1.3 有限元软件FRANC 2D/L  16
  1.4 等温淬火球墨铸铁的特点及应用  16-17
  1.5 本课题的研究意义及研究内容  17-20
    1.5.1 研究意义  17-18
    1.5.2 研究内容  18-20
第二章实验内容及试验方法  20-28
  2.1 实验步骤  20
  2.2 实验内容  20-28
    2.2.1 材料准备  20-21
    2.2.2 试样的制备  21-25
    2.2.3 热处理方案  25-26
    2.2.4 实验设备  26-28
第三章实验结果的研究  28-35
  3.1 裂纹扩展实验  28-32
    3.1.1 实验方法  28-29
    3.1.2 裂纹扩展实验结果  29-32
  3.2 拉伸试验  32-33
  3.3 本章小结  33-35
    3.3.1 本章内容  33-34
    3.3.2 存在的问题  34-35
第四章履带式推土机支重轮的受力分析  35-50
  4.1 支重轮工作原理  35
  4.2 支重轮内圆面的受力  35-37
    4.2.1 支重轮受力大小的计算  35-36
    4.2.2 载荷在支重轮内表面上的分部  36-37
  4.3 ANSYS 计算支重轮受力情况  37-45
    4.3.1 几何模型的建立  37
    4.3.2 建立接触对  37-41
    4.3.3 施加边界条件和载荷  41-43
    4.3.4 求解选项设置  43
    4.3.5 结果分析  43-45
  4.4 有限元结果与理论结果的比较  45-47
    4.4.1 赫兹应力计算  45
    4.4.2 接触区域长度的计算  45-47
  4.5 代入实验测得的弹性模量计算模型  47-49
  4.6 本章小结  49-50
    4.6.1 本章内容  49
    4.6.2 存在的问题  49-50
第五章基于FRANC2D/L 的裂纹扩展仿真  50-67
  5.1 裂纹扩展仿真介绍  50-53
    5.1.1 裂纹扩展仿真软件  50-52
    5.1.2 支重轮的裂纹分析  52-53
  5.2 模型的建立  53-56
    5.2.1 在CASCA 中建模型  53-54
    5.2.2 用FRANC2D/L 软件分析  54-56
  5.3 静载荷下的应力强度因子  56-61
    5.3.1 应力强度因子值随h 的变化  56-57
    5.3.2 应力强度因子值随d 的变化  57-59
    5.3.3 应力强度因子值随α的变化  59-61
  5.4 摩擦对应力强度因子的影响  61-62
    5.4.1 支重轮上的摩擦  61
    5.4.2 摩擦对应力强度因子的影响  61-62
  5.5 裂纹扩展仿真  62-66
    5.5.1 裂纹扩展机理  62-63
    5.5.2 基于FRANC2D/L 的裂纹扩展仿真  63-66
  5.6 本章小结  66-67
    5.6.1 本章内容  66
    5.6.2 存在的问题  66-67
第六章总结与展望  67-69
  6.1 结论  67-68
  6.2 展望  68-69
参考文献  69-74
攻读学位期间本人出版或公开发表的论文  74-75
致谢  75-76

履带式推土机的等温球铁材料支重轮硬化层裂纹扩展的研究

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