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温滚压表面强化技术研究

作　者: 周航
导　师: 周旭东
学　校: 河南科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 表面强化温滚压强化弯曲疲劳数值模拟残余应力
分类号: TG376
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

内燃机曲轴、列车车轴等零件,在工作中承受循环载荷,虽然所承受交变应力值低于材料在静载作用下的屈服应力,但是经历一定数量的应力循环,零件就有可能出现疲劳断裂,而且疲劳断裂是一种“突然”的脆性断裂,断裂前没有明显塑性变形预兆,所以疲劳破坏经常造成重大安全事故。多年来人们一直在设法提高这类零件的疲劳强度,其中表面滚压加工就是一种行之有效的方法。表面滚压是一种无屑光整加工,它利用高硬度的光滑滚轮在金属表面滚压,使零件表面变得光滑,形成加工硬化层,同时表层产生了残留压缩应力,从而显著提高零件的疲劳强度。温滚压是在中温范围内滚压,具有比室温滚压(冷滚压)更好的强化效果。本文以45钢环形半圆缺口试样轴为研究对象,通过滚压数值模拟,对滚压后残余应力进行了分析,预测试样轴滚压后获得最大疲劳寿命的最佳工艺组合;自行设计并制造了温滚压装置,利用该装置对45钢试样轴,在中温范围的不同温度、不同压下量的组合下进行了滚压试验;为测得滚压强化的效果,还利用旋转弯曲疲劳试验机对滚压试样轴进行了疲劳试验。滚压数值模拟,从分析残余应力入手,对滚压强化进行了研究,结果表明:在实验温度为20℃、100℃、200℃和300℃中,试样轴表面层的残余压应力最大时,对应压下量分别为0.06mm、0.10mm、0.15mm和0.15mm;总体考虑实验的4个温度,在300℃、0.15mm的压下量,试样轴表面获得最大的残余压应力。根据残余压应力越大,试样轴的疲劳强度就越高的规律,优选出最佳工艺的组合。滚压数值模拟结论与疲劳试验的结果相一致,故采用有限元分析来优选滚压工艺的方法是可行的。旋转弯曲疲劳试验结果表明:试样轴的滚压可以显著提高零件的疲劳强度,而中温滚压试样轴又进一步比室温滚压试样轴获得更高疲劳寿命。在室温下滚压,试样轴要获得最大疲劳强度,最佳压下量应为0.06mm;类似有,在100℃滚压,最佳压下量应为0.10mm;在200℃和300℃滚压,在实验压下量的范围内,最佳压下量均为0.15mm。在试验温度范围内,要获得零件最大的疲劳强度,最佳的滚压工艺是在300℃温度,以压下量为0.15mm进行滚压强化。疲劳断口分析表明:疲劳断裂属于脆性断裂;疲劳寿命长的滚压试样,其断口光亮带十分明显,而且较窄;而疲劳寿命短的,断口光亮带不明显,而且较宽。滚压部位微观组织分析表明:温滚压使材料出现不均匀的塑性变形,表层的组织明显得到细化,而心部仍是原始组织。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题背景  8
  1.2 表面滚压强化技术概况  8-9
    1.2.1 表面滚压强化  8-9
    1.2.2 表面滚压强化的工艺特点  9
    1.2.3 表面滚压的国内外发展简史  9
  1.3 表面滚压强化的技术现状及发展趋势  9-15
    1.3.1 表面滚压强化的技术现状  9-15
    1.3.2 表面滚压强化技术的发展趋势  15
  1.4 研究的目的和意义  15-16
  1.5 主要内容及研究方法  16-17
第2章温滚压数值模拟  17-33
  2.1 温滚压数值模拟材料模型及算法  17-19
    2.1.1 选择弹塑性材料模型的依据  17-18
    2.1.2 滚压加工数值模拟所采用的算法  18-19
  2.2 温滚压模拟软件的选择  19-20
  2.3 温滚压模拟方案设计  20-21
  2.4 温滚压模拟条件  21-27
  2.5 试样轴温滚压的求解运算  27
  2.6 模拟结果与分析  27-31
    2.6.1 滚压部位材料变形分析  28
    2.6.2 滚压部位的残余应力分析  28-31
    2.6.3 对滚压部位残余应力分布机理的探讨  31
  2.7 本章小结  31-33
第3章温滚压物理模拟  33-42
  3.1 温滚压物理模拟的相似性分析  33-34
  3.2 滚压加工基本原理  34
  3.3 温滚压的实验设计  34-39
    3.3.1 试样轴形状及尺寸设计  35
    3.3.2 试样轴材料  35-36
    3.3.3 滚压实验装置设计与制造  36-39
  3.4 温滚压试验  39-40
  3.5 试验结果  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章疲劳试验  42-55
  4.1 疲劳试验设备及原理  42-44
  4.2 试样轴的受力分析  44-48
    4.2.1 试样轴所受交变应力的类型  44
    4.2.2 试样轴弯曲应力的分析与计算  44-48
  4.3 疲劳试验方案  48-49
  4.4 疲劳试验结果与分析  49-54
    4.4.1 疲劳寿命  49-51
    4.4.2 疲劳断口形貌  51-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章微观组织分析  55-61
  5.1 制样  55
  5.2 组织观测及分析  55-59
  5.3 滚压层材料力学性能的量化分析  59-60
  5.4 本章小结  60-61
第6章结论  61-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间的研究成果  67

温滚压表面强化技术研究

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