【摘 要】
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低温轴承中的氮化硅陶瓷球在接触区的热震和高接触应力的共同作用下表面出现河网般的密布裂纹,其中有一些肉眼可见的粗裂纹,其深度只有几个微米,宽度尺寸远大于深度尺寸。考虑到未来的航天事业对于低温轴承长寿命的需求,本论文对陶瓷球在热震和接触应力共同作用下表面裂纹的萌生与扩展过程进行研究,主要的研究内容分为以下三个部分:分析了轴承在低温液体介质中运行时Si3N4陶瓷表面温度和应力分布状态。建立了模拟陶瓷球表
【基金项目】
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国家自然科学基金:超低温高速重载自润滑轴承制造关键技术与长寿命设计(项目编号:U1737204);
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低温轴承中的氮化硅陶瓷球在接触区的热震和高接触应力的共同作用下表面出现河网般的密布裂纹,其中有一些肉眼可见的粗裂纹,其深度只有几个微米,宽度尺寸远大于深度尺寸。考虑到未来的航天事业对于低温轴承长寿命的需求,本论文对陶瓷球在热震和接触应力共同作用下表面裂纹的萌生与扩展过程进行研究,主要的研究内容分为以下三个部分:分析了轴承在低温液体介质中运行时Si3N4陶瓷表面温度和应力分布状态。建立了模拟陶瓷球表面受载的有限元模型,在此模型基础上结合轴承拟动力学的计算结果,分析不同的转速工况条件、摩擦系数、材料热导率和表面缺陷对陶瓷球表面温度和应力分布的影响;模拟了陶瓷球短时间内受到频繁加热冷却的热响应过程,分析了表层温度和应力随时间的变化。结果表明陶瓷球表面的热影响区深度很浅,只有几微米到十几微米的深度,这与NASA报告中给出的River Mark的深度很接近。采用XFEM扩展有限元法、传统有限元方法、晶格有限元法-CZM内聚力模型这三种方法对陶瓷球在接触热源载荷(热力耦合)作用下的裂纹萌生与扩展过程进行了模拟。分别模拟了二维裂纹萌生与准静态裂纹扩展过程,陶瓷球三维表面裂纹的疲劳扩展过程,和陶瓷球沿晶格界面的断裂过程。对于处在低温环境中的陶瓷球,接触表面温度升高导致其断裂韧度下降,使得裂纹在表层扩展阻力减小,所以裂纹在表层以剪切滑移的方式进行扩展,并且这种扩展方式下得到的裂纹底部是平坦的,这与实际的观测结果相符合。对在低温介质中试验2500s的陶瓷球的表面裂纹形貌进行了观察,并通过X射线显微镜获得了粗裂纹的深度尺寸和截面特征信息,该结果与NASA报告中给出的River Mark的特征非常匹配。在这些观察结果下,结合之前的仿真结果,对陶瓷球表面粗裂纹的形成过程做出了合理解释。即陶瓷球表面粗裂纹是通过表面细裂纹扩展、裂纹相连、最终片状脱落这个过程形成的;其次通过试验探究了热震对陶瓷球滚动接触疲劳性能的影响,结果发现当陶瓷球受到热震并在表面产生较深的裂纹时,陶瓷球的滚动接触疲劳性能会显著下降。表层裂纹会在滚动接触下以一定的角度向表面扩展,最终形成片状脱落,这种方式形成的粗裂纹在形态上与低温介质中试验2500s的陶瓷球表面粗裂纹很相似。
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