含夹杂物的微凸体接触力学性能研究

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在工业生产中,由于材料的清洁度、工艺的需求及工业环境的限制等多方面因素,导致材料中会残余非金属夹杂物。看似光滑的材料表面在显微镜下观察是由大小不同的微凸体所组成,靠近接触表面的夹杂物实际上是存在于大大小小的微凸体中。在元件(如轴承、齿轮、钢轨等)的接触过程中,这些夹杂物会对微凸体的接触性能产生十分明显的影响,其可能会降低微凸体抵抗塑性变形的能力,在滚动循环接触下,其会造成塑性变形的累积,进而导致裂纹萌生及扩展,严重影响材料的滚动接触疲劳寿命(RCF寿命),因此对含夹杂时微凸体发生塑性屈服的准确判断是十分有必要的。根据夹杂物属性不同将其分为软夹杂、硬夹杂和空腔。基于粗糙表面之间的接触模型,建立了含单个夹杂的单个微凸体接触的力学模型,通过有限元软件ABAQUS建立了对应的有限元模型,并且通过多种方式验证了模型的正确性及精确度。通过所建立的模型,研究了夹杂物的存在对微凸体弹性变形及弹性临界变形的影响。经过研究,发现了夹杂物对微凸体初始塑性屈服的发生的影响,并且从应力的角度分析了软夹杂、硬夹杂和空腔对其不同影响的本质区别。重点研究了软夹杂、硬夹杂和空腔对微凸体弹性临界下压量的影响,分别考虑了夹杂尺寸、夹杂深度、夹杂弹性模量和微凸体尺寸、微凸体弹性模量、微凸体屈服强度等因素的影响,结果以解析解的形式给出。研究了夹杂的存在对微凸体表面接触压力的影响。结果发现,微凸体表面接触压力受所包裹夹杂物的影响较大,软夹杂会导致夹杂上方的接触压力形成“凹陷”的现象,而硬夹杂会导致其形成“凸起”的现象。通过研究发现,夹杂物和微凸体的不同参数都会对“凹陷”和“凸起”的幅度有较大的影响。通过计算,得到了夹杂尺寸、夹杂深度、夹杂弹性模量和微凸体尺寸、微凸体弹性模量等参数对接触载荷的影响,其结果以解析解的形式给出,同时通过比较软夹杂和空腔对微凸体接触性能的影响证明了空腔是软夹杂的一种极限情况。
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