渗碳CrMn齿轮钢超高周疲劳行为及强度预测模型研究

【作者】 孙振铎； 李伟； 邓海龙； Nehila Abdelhak； 刘鹏飞；

【机构】 北京理工大学机械与车辆学院；

【摘要】 在机械工业中,为了提高工程设备和机械结构中的齿轮、轴等传动关键零部件的耐磨、抗腐蚀及抗疲劳性能,常对其采取渗碳等表面强化处理。近年来,由于轴、齿轮等关键零部件的超长服役寿命需求越来越高,这使得表面强化钢在超高周区(10⁷-10¹⁰)的疲劳行为受到了极大的关注。最近研究表明,表面强化钢或高强度钢在超高周区的疲劳失效主要诱发于内部的非金属夹杂。从而,夹杂的大小、分布等特性与材料的超高周疲劳强度之间建立了密切的联系。基于夹杂与小裂纹的等效关系,Murakami等考虑材料硬度、夹杂几何尺寸的影响率先提出了疲劳强度预测模型。随后,考虑应力比、累计损伤等因素的影响,部分学者也相继提出了一些修正模型。但是夹杂尺寸/分布、应力、寿命之间的关系仍没有得到很好的诠释。因此,十分有必要继续开展针对夹杂诱发疲劳失效的强度预测模型的研究。本文开展了渗碳Cr Mn齿轮钢的超高周疲劳试验研究,分析了其在超高周区的疲劳行为及破坏机理,探讨了诱发失效的内部夹杂尺寸、疲劳寿命、施加载荷之间的关系,同时基于广义帕雷托分布（generalized Pareto distribution,GPD）和广义统计极值分布（Generalized Extreme Values,GEV）对夹杂尺寸分布特性进行了比较分析,进而构建了一定概率条件下的夹杂尺寸-强度-寿命预测模型。结果表明,渗碳Cr Mn齿轮钢的疲劳失效主要包含加工缺陷诱发的表面失效以及夹杂诱发的内部失效;当疲劳寿命N>10⁵时,内部夹杂诱发失效成为主要的破坏模式;建立的夹杂尺寸、应力幅值、疲劳寿命之间的关系能很好表征渗碳Cr Mn齿轮钢的中值S-N数据;从概率疲劳设计角度,基于GPD构建的概率夹杂尺寸-强度-寿命预测模型的预测结果偏于保守,而基于GEV构建模型的预测结果相对适合。更多还原