履带式推土机的等温材料支重轮硬化层裂纹扩展的研究.pdf

履带武推七机的等温球铁材料支重轮硬化层裂纹扩展的研究 摘要 摘 要 ． _’ ? DuctiIe Iron，简称ADI)是一种新型球铁材料， 等温淬火球墨铸铁(Austempered 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，～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 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F凡ⅢC2D／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， 摘要 履带式推十机的等温球铁材料支重轮硬化层裂纹扩展的研究 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，Kl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3nun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；3lO℃时的裂纹扩展次数次之；260℃时最 小。 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