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大型汽車(chē)柴油機(jī)曲軸工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
附錄A： 外文翻譯
用數(shù)值與實(shí)驗(yàn)調(diào)查氮鋼曲軸大功率集成電路發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞特性
氮化通常適用于提高機(jī)械零部件的表面性能，也可提高耐疲勞性。本文的目的是探討，通過(guò)數(shù)值模型的方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，誘發(fā)氮化對(duì)船用柴油機(jī)曲軸的疲勞性能殘余應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力梯度引起的熱化學(xué)處理考慮到了有限元模型的方法。進(jìn)行了具有軸向試驗(yàn)機(jī)，以驗(yàn)證該數(shù)值模型，并評(píng)估所述曲軸的機(jī)械參數(shù)，諸如屈服強(qiáng)度和疲勞極限。通過(guò)施加應(yīng)變測(cè)量手段下彎曲，以評(píng)估曲軸殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的方法也被開(kāi)發(fā)。這種方法被證明是有用的，以確定誘導(dǎo)熱處理成曲軸的殘余應(yīng)力的大小，并且它可能在一些情況下被應(yīng)用于殘余應(yīng)力場(chǎng)的評(píng)價(jià)。[DOI: 10.1115/1.4001834]
關(guān)鍵詞：氮化，有限元模型，曲軸，殘余應(yīng)力，耐疲勞性
1引言
曲軸是內(nèi)燃機(jī)中最關(guān)鍵的組分之一。在其使用壽命時(shí)期，它受到來(lái)自燃燒過(guò)程中和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件的慣性產(chǎn)生的循環(huán)彎曲壓力和扭轉(zhuǎn)載荷[1,2]。曲軸的機(jī)械故障疲勞現(xiàn)象是由于曲柄銷(xiāo)和配重之間的圓角半徑引起的。在這運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中達(dá)到多軸應(yīng)力狀態(tài)下的最高級(jí)別，是因?yàn)楦叩膽?yīng)力集中系數(shù)[3,5]。
為了防止疲勞破壞，施加到曲軸的圓角的主要機(jī)械處理是感應(yīng)淬火和滾壓，而熱化學(xué)是表面硬化和滲氮[6-9]。機(jī)械部件的表面處理方法通常應(yīng)用于用于增加硬度和耐磨損性，而無(wú)需修改散裝材料的機(jī)械特性，但最近的研究表明，它們也增加，因?yàn)檎T導(dǎo)的表面和次表面層的壓縮殘余應(yīng)力的疲勞極限[10-13]。
一些研究表明，提高耐疲勞性氮化是最有效的方法[14,15] 。與其他熱化學(xué)處理相比，氮不涉及任何物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的修改(溫度在此過(guò)程中達(dá)到一般不超過(guò)520℃[16] )。這保證了最小的失真和機(jī)械部件的良好的尺寸控制?，F(xiàn)今可用的不同的氮化過(guò)程是：它們包括氣體，液體，和等離子滲氮，即第一個(gè)是最常用的。 此過(guò)程中，氮被引入到鐵類(lèi)合金的表面上是通過(guò)保持金屬與含氮?dú)怏w如氨接觸。擴(kuò)散層的厚度為約200?600 um，在表面上，脆性nitrogenrich層厚度(5-50um)，這就是所謂的白色氮化物層的產(chǎn)生，它在該氮化工序后取出。間質(zhì)性氮?dú)夂偷锍恋碓跀U(kuò)散層的分布產(chǎn)生的增加，元件的尺寸和殘余應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域。殘余應(yīng)力必須是自平衡的，它們是一般地在負(fù)的表面和正面于主體材料中。
耐疲勞性的改善主要?dú)w因于兩個(gè)殘余應(yīng)力場(chǎng)和表面硬化。壓縮應(yīng)力，實(shí)際上是有益的，用于防止疲勞裂紋萌生在表面和延緩裂紋擴(kuò)展[17-19]。表面硬度，此外，連接到極限強(qiáng)度和由經(jīng)驗(yàn)公式的疲勞極限[19]。在這項(xiàng)工作中，研究了氮化殘余應(yīng)力對(duì)一個(gè)2000千瓦的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的疲勞性能的影響。在滿(mǎn)刻度元件上的數(shù)值模型和合適的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，以檢測(cè)殘余應(yīng)力與應(yīng)變的測(cè)量，并確定疲勞阻力。還開(kāi)發(fā)了試樣的數(shù)值模型，具有曲軸圓角區(qū)，承受彎曲載荷的相同的幾何形狀。試樣的簡(jiǎn)單的幾何形狀初步評(píng)估應(yīng)力集中作用由于變化的部分和滲氮過(guò)程對(duì)由于彎曲載荷的應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)的影響[20]。測(cè)量技術(shù)中的殘余應(yīng)力的評(píng)價(jià)可以被劃分成破壞性和非破壞性。與前者的技術(shù)，殘余應(yīng)力誘導(dǎo)通過(guò)去除材料的位移測(cè)量。最常用的方法是塊切片，分條，層去除，鉆孔，和輪廓的方法[21-26] 。非破壞性技術(shù)通常圍繞衍射，其可以被用于測(cè)量特定的原子晶格面的彈性應(yīng)變，如X-射線(xiàn)衍射，XRD，和中子衍射[21,27-30]。據(jù)作者所知，在文中非破壞性的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)估計(jì)表面殘余應(yīng)力場(chǎng)和集中應(yīng)力值是不可行的?？紤]到這一點(diǎn)，一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行表面殘余應(yīng)力的間接評(píng)價(jià)，以不同的彎曲載荷下表面應(yīng)變測(cè)量的手段被開(kāi)發(fā)了。為了認(rèn)真評(píng)估應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)在重要領(lǐng)域中， 殘余應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果值比較的影響，幾個(gè)有限元素（FE）模型與ABAQU ?被操作[31]。
2幾何形狀和材料
對(duì)一個(gè)船用四沖程循柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油直噴技術(shù)和廢氣渦輪增壓器的曲軸進(jìn)行了研究。發(fā)動(dòng)機(jī)有16個(gè)汽缸和90度V行結(jié)構(gòu)，約2000千瓦的功率，最大轉(zhuǎn)速等于2000轉(zhuǎn)。為了評(píng)價(jià)滲氮對(duì)表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，對(duì)一個(gè)具有帶圓角半徑的曲軸也進(jìn)行了分析。
曲軸的幾何形狀和部分圖像以及式樣在圖表1_a_–1_c_中。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN10083-1曲軸和試樣的材料是淬火和氮化的35CrMo4，以前評(píng)價(jià)材料的化學(xué)組成和主要機(jī)械特征[30,31]，分別列于表1和2分別。
3數(shù)值模型
式樣應(yīng)用了直線(xiàn)彈性和理想彈塑性數(shù)值模型，以便應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)評(píng)估由于橫截面減小而引起的應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)下的氮化過(guò)程中的殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。由于幾何形狀的對(duì)稱(chēng)性和彎曲載荷的施加，只有四分之一的標(biāo)本被建模，并適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件對(duì)稱(chēng)平面進(jìn)行了施加。1410為N m彎曲載荷，對(duì)應(yīng)2820N m，從總體上看是由兩個(gè)集中力的應(yīng)用，具有相同的數(shù)量級(jí)23,500 N'和相反方向上，位于離對(duì)稱(chēng)軸30毫米。對(duì)稱(chēng)邊界條件假設(shè)，并采用點(diǎn)荷載證明不影響應(yīng)力場(chǎng)的最小截面為線(xiàn)性分析。另一方面，模型具有可塑性的存在，為了避免收斂問(wèn)題所用分布載荷。具有約機(jī)型50,000自由度采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體被開(kāi)，線(xiàn)性元素來(lái)生成網(wǎng)格，如圖所示2。為了提高分析的準(zhǔn)確度，合適的網(wǎng)格細(xì)化也被認(rèn)為是在圓角區(qū)，陡峭的應(yīng)力梯度顯示在圖 2(a)中。收斂性分析是所進(jìn)行的模型裝置具有越來(lái)越細(xì)網(wǎng)眼直到差異，在最大von Mises節(jié)點(diǎn)而言應(yīng)力是最小的橫截面，兩個(gè)連續(xù)間模型是小于3％。一個(gè)完整的幾何線(xiàn)性彈性模型也進(jìn)行處理，并將結(jié)果在最小橫獲得部分是相同的對(duì)稱(chēng)模型。
對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了引入，在節(jié)點(diǎn)條件下通過(guò)預(yù)應(yīng)力手段，通過(guò)氮化處理把所述實(shí)體分割模擬，重現(xiàn)誘導(dǎo)外表面下面的改性層。殘余應(yīng)力趨勢(shì)的分析功能是通過(guò)考慮一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)自我平衡和極坐標(biāo)系(P-R-q)顯示于圖表2b，其中p和r為分別是軸向和徑向的方向的極角，在圖表Eq(1)中，殘余應(yīng)力大小只依賴(lài)于徑向坐標(biāo)。
為了得到一個(gè)自平衡場(chǎng)即所得試樣縱截面的拉伸應(yīng)力必須等于壓縮的1到2個(gè)不同區(qū)域的所得進(jìn)行了鑒定。
根據(jù)以前的工作，其中，所述不同的氮化試樣的殘余應(yīng)力深度輪廓是由X射線(xiàn)衍射方法測(cè)定，采用SIN2方法結(jié)合使用的子層去除并用鉆孔法[32,33]，在緊接層外表面下方的3毫米深壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)被假設(shè)，而所述芯材從3mm的外部表面的下方朝向試樣的軸線(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力進(jìn)行了審議。分別對(duì)應(yīng)殘余應(yīng)力的最大值和最小值分別等于375Mpa和95Mpa[33]。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[32]，一個(gè)近似 ,拋物線(xiàn)形趨勢(shì)被選定為分析殘余應(yīng)力的功能，所報(bào)告的方程2和3'，其中α1 =α1≤γ≤2和θ2 =θ2≤γ≤2是分析殘余應(yīng)力，分別作用在拉伸和壓縮層。應(yīng)力趨勢(shì)近似可以認(rèn)為充足考慮到對(duì)殘余應(yīng)力趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)并不像表面應(yīng)力和殘余應(yīng)力的表面坡度重要。
報(bào)中所示的擬合常數(shù)在圖表2 d中，計(jì)算考慮到適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件殘余應(yīng)力的功能必須滿(mǎn)足在試樣外表面r= 23mm，在對(duì)稱(chēng)軸使r = 0mm，而且在拉伸的接口和壓縮層r= 20 mm。
在拉伸層，下面的邊界條件被應(yīng)用：
對(duì)于壓縮層，下面的邊界條件必須滿(mǎn)足：
確保拉伸和壓縮應(yīng)力合成在縱向試樣部分之間的平衡，兩殘余應(yīng)力的區(qū)域的等效性，必須施加
兩種不同的分析是在受到彎曲載荷的試樣進(jìn)行：最初，一個(gè)純粹的彈性材料性能被用來(lái)以檢查模型的精度，比較力集中系數(shù)值得到相應(yīng)文獻(xiàn)[34]。在這些初步的模型中，殘余應(yīng)力場(chǎng)沒(méi)有被引入到數(shù)字模型。
假設(shè)在下面的分析的理想彈塑性材料與屈服強(qiáng)度等于700Mpa，殘余應(yīng)力場(chǎng)也被考慮，目的評(píng)估在圓角區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)和影響力的氮化處理。
應(yīng)用曲軸的數(shù)值模型和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面是為了用來(lái)減少自由度（運(yùn)算時(shí)間）。
曲柄銷(xiāo)油潤(rùn)滑孔，對(duì)應(yīng)力分布有一個(gè)小的影響，未建模，并夾緊裝置，它在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)試驗(yàn)機(jī)施加拉伸載荷是有用的用，是在該模型具有簡(jiǎn)化的幾何引入。
適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件施加于對(duì)稱(chēng)平面和集中力等于45000 N，應(yīng)用在夾緊裝置200毫米的主軸頸軸，如圖 3。
開(kāi)發(fā)了具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)心磚約48,000自由度二次元模型。二次元被用來(lái)降低計(jì)算成本的分析。然而，在最關(guān)鍵的地方，如曲柄銷(xiāo)和主軸頸的連接，約七倍元素 比其它區(qū)域更小的被用來(lái)獲得一個(gè)詳細(xì)的應(yīng)力映射，如圖所示。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)室考慮到負(fù)荷配置是相同的適用于曲軸。既是一個(gè)純粹的彈性和理想彈塑性材料性能被假定為不同的分析。
4實(shí)驗(yàn)測(cè)試
實(shí)驗(yàn)測(cè)試是由一個(gè)軸向試驗(yàn)機(jī)裝置上的氮化曲軸部執(zhí)行，一個(gè)具體的把持裝置的目的為了防止在加載周期外來(lái)曲載荷向曲軸傳遞。耐疲勞性和應(yīng)力狀態(tài)中所指出的有限元模型諸如曲柄銷(xiāo)和主軸頸圓角最關(guān)鍵的曲軸的區(qū)域，是由應(yīng)變儀測(cè)量的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。在下面的段落中描述的簡(jiǎn)化創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法殘余應(yīng)力大小在曲軸表面也被估計(jì)。
4.1創(chuàng)新的殘余應(yīng)力評(píng)估程序。殘余應(yīng)力可存在于工程部件制造及熱過(guò)程的結(jié)果，或它們可以被引入以實(shí)現(xiàn)有益的機(jī)械性能如耐疲勞性。在簡(jiǎn)支梁幾個(gè)部分評(píng)估殘余應(yīng)力的方法是可行的[35]。加載梁，采用了左右對(duì)稱(chēng)的彎曲，進(jìn)入全塑系列使中間段轉(zhuǎn)換為一個(gè)塑料鉸鏈，該行為卸載期間的光柱直接彈性，殘余應(yīng)力得到是通過(guò)向全塑性力矩應(yīng)力分布所引起的反向彈性應(yīng)力分布。
所有這些方法都有其局限性，即破壞性的，時(shí)間耗時(shí)，昂貴，深度和準(zhǔn)確性有限，不可移植，或 僅限于簡(jiǎn)單的幾何形狀的樣品。
由于這些原因，另一種創(chuàng)新的方法簡(jiǎn)單，基于表面張力有和沒(méi)有殘余應(yīng)力場(chǎng)的存在之間差值被開(kāi)發(fā)了。
通過(guò)考慮，例如，具有矩形氮化棒部分承受彎曲負(fù)荷，剩余的與該區(qū)段中的彎曲應(yīng)力互重疊，以最大壓縮應(yīng)力的增加量和在拉伸的減少。通過(guò)固定在棒部的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)應(yīng)變儀裝置，它可以測(cè)量的壓縮和拉伸應(yīng)變的最大值，并且，通過(guò)增加彎曲載荷，這兩個(gè)上壓側(cè)識(shí)的彈性極限，在這里屈服應(yīng)力將首先到達(dá)，然后在拉伸。通過(guò)參照二維主應(yīng)力和使用由拉伸試驗(yàn)中給出的彈性極限。
圖4a顯示了馮?米塞斯橢圓面，其中線(xiàn)段AB表示壓縮之間的區(qū)別 和拉伸彈性限。
彎曲載荷引僅引起應(yīng)力，因此線(xiàn)段AB轉(zhuǎn)換平行于軸直到點(diǎn)A和B相切馮?米塞斯橢圓。通過(guò)報(bào)告的彈性極限和它可以識(shí)別的C點(diǎn)，其坐標(biāo)所代表的殘余應(yīng)力在兩個(gè)方向上的大小。
4.2負(fù)載應(yīng)用設(shè)備。曲軸承受燃燒循環(huán)中復(fù)雜載荷的條件很難在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中精確地復(fù)制。因?yàn)閺澢?fù)載是主要的負(fù)載和彎曲應(yīng)力是最關(guān)鍵耐疲勞性，偏心拉伸負(fù)荷施加到曲軸是通過(guò)借助于液壓軸向試驗(yàn)機(jī)，如圖 5a。負(fù)載器件包括兩個(gè)部分高梁具有高剛性連接到所述曲軸的兩個(gè)螺絲由180bar氣動(dòng)千斤頂裝置收緊。夾持裝置，由兩個(gè)連接交叉構(gòu)件構(gòu)成，兩個(gè)螺絲鎖組成扭矩等于280 NM被固定在梁的頂部。
由試驗(yàn)機(jī)給定的拉伸載荷通過(guò)球形裝置傳送到固定在梁上的曲軸，這允許負(fù)荷施加在單個(gè)點(diǎn)，并避免任何傳輸額外的彎曲載荷，由于在結(jié)構(gòu)中的過(guò)約束而引起的整個(gè)系統(tǒng)的裝配對(duì)準(zhǔn)誤差。在圖5b中示出了夾緊裝置的裝配圖。
4.3曲軸準(zhǔn)備。數(shù)值分析結(jié)果表明，曲柄銷(xiāo)軸頸和配重之間的圓角都圖中最關(guān)鍵應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)。在這些領(lǐng)域幾個(gè)應(yīng)變儀被應(yīng)用到仔細(xì)測(cè)量的軸向和周向應(yīng)變。圖6示出了應(yīng)變片的安排：三個(gè)90度圓環(huán)每個(gè)圓角沿著對(duì)稱(chēng)平面并沿兩個(gè)15度的固定平面旋轉(zhuǎn)，如圖6.
在對(duì)稱(chēng)平面四進(jìn)一步線(xiàn)性應(yīng)變片固定，以評(píng)估的彎曲應(yīng)力大小。另外在飛機(jī)上加入圓角中心，這是確定的有限元模型是最關(guān)鍵的壓力，通過(guò)放置一個(gè)90度圓環(huán)和線(xiàn)性應(yīng)變計(jì)的主軸頸圓角評(píng)價(jià)。這些應(yīng)變片允許殘余應(yīng)力評(píng)估。
為了評(píng)價(jià)作用于負(fù)載裝置上的彎曲應(yīng)力能夠使機(jī)器的液壓方式缸的偏轉(zhuǎn)，所述夾持裝置的應(yīng)變的測(cè)定。
HBM?120線(xiàn)性應(yīng)變儀與0.6毫米網(wǎng)格長(zhǎng)度和應(yīng)變系數(shù)等于1.82+1.5％，和MM?12090度圓環(huán)0.6 mm間隔長(zhǎng)度和應(yīng)變系數(shù)等于2.101.5％被使用。在圖表6中鍵合在曲柄銷(xiāo)軸頸和配重之間的圓角應(yīng)變片被顯示。
該測(cè)量進(jìn)行了考慮，對(duì)于每一個(gè)應(yīng)變儀具有測(cè)量應(yīng)變儀一半的惠斯通電橋配置和補(bǔ)償。HBM UPM 100采集系統(tǒng)被用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變措施，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與采樣，時(shí)間假定為等于5毫秒。在疲勞試驗(yàn)中的載荷被施加有頻率0.8赫茲。
5結(jié)果分析
5.1數(shù)值結(jié)果。在試樣上的線(xiàn)狀彈性分析表明，正如所料，最關(guān)鍵的區(qū)域中，具有馮米塞的最高值應(yīng)力，于圓角底座具有最大應(yīng)力在縱向上等于905 兆帕，應(yīng)用彎曲載荷等于1410Nm。
從彼得森的獲得圖參考應(yīng)力集中系數(shù)的值[34]，為1.53，而從有限元模型的值
等于1.534。應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算方法考慮了最大比例 縱向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，用有限元模型進(jìn)行評(píng)估，并標(biāo)稱(chēng)彎曲應(yīng)力中的最小橫截面。
和之間的最小差異，指出該有限元模型的網(wǎng)格具有適當(dāng)?shù)募?xì)化并且計(jì)算結(jié)果可靠的。圖7(a)和7(b) 顯示應(yīng)力的趨勢(shì)，并且沒(méi)有殘余應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)中，在后一個(gè)圓角底座部
彎曲載荷分別等于987N m和1410N m。
殘余應(yīng)力，如假定，降低拉伸應(yīng)力的最大值并增加最小壓縮。殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響是比較明顯如圖7(a)，其中該材料仍具有彈性性能，同時(shí)，通過(guò)施加最大彎曲載荷，屈服強(qiáng)度達(dá)到中壓側(cè)和最小應(yīng)力值具有和不具有殘余應(yīng)力大致相同。
在曲軸上關(guān)于數(shù)值分析的結(jié)果，最大von Mises應(yīng)力是位于曲柄銷(xiāo)軸頸和配重之間的接，
其中的應(yīng)力集中系數(shù)為最大，在主軸頸和配重之間的連接，由于軸向載荷的下偏心，最大von Mises應(yīng)力等于625Mpa。
在45℃下平面連接兩個(gè)圓角的中心，如圖所示8(b)，證明有應(yīng)力的最高值，如圖所示8(c);
因此，它代表從圖中的耐疲勞性和疲勞裂紋形核的概率的點(diǎn)中最關(guān)鍵的部分。
圖9(a)指出了馮?米塞斯的價(jià)值觀(guān)上強(qiáng)調(diào)曲柄銷(xiāo)和主軸頸圓角相對(duì)于一個(gè)二維 極坐標(biāo)r，其起原點(diǎn)在圓角中心圖。
談到von Mises應(yīng)力最大值 應(yīng)力集中系數(shù)，由于彎矩和 軸向力可以計(jì)算，對(duì)于所施加負(fù)荷相等 90KN，通過(guò)考慮下列給出的額定壓力公式：
計(jì)算出連桿軸頸和主軸頸應(yīng)力集中系數(shù)分別約為6.5和5 。對(duì)曲軸氮化殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，具有通過(guò)重疊的簡(jiǎn)化方法中，對(duì)最大壓力平面，殘余應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置評(píng)估彎曲應(yīng)力的趨勢(shì)。在圖表9 (c)中顯示了應(yīng)力引起的彎曲載荷，所施加的殘余應(yīng)力趨勢(shì)，并且疊加應(yīng)力趨勢(shì)。
滲氮過(guò)程的有益效果得到證實(shí);由于高的壓縮殘余應(yīng)力的存在，事實(shí)上，在曲軸表面進(jìn)行在負(fù)載周期，平均壓縮應(yīng)力，這有助于提高疲勞壽命。
5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果。初步交替疲勞試驗(yàn)(r =-1)施加的負(fù)載等于60千牛頓中進(jìn)行。在圖10(a)載荷 - 應(yīng)變曲線(xiàn)的例子所示：可以忽略不計(jì)的滯后區(qū)域以及沒(méi)有對(duì)應(yīng)變曲線(xiàn)異常趨勢(shì)指出，沒(méi)有相當(dāng)大的增塑出現(xiàn)和沒(méi)有表面疲勞裂紋啟動(dòng)。通過(guò)參照von Mises應(yīng)力在倒角的中間，對(duì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。
在表3中的是曲柄銷(xiāo)軸頸和配重之間的圓角區(qū)域測(cè)得的應(yīng)變值報(bào)告，而表4總結(jié)了von Mises應(yīng)力在曲柄銷(xiāo)和主軸頸圓角，并用公式計(jì)算標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力。
實(shí)驗(yàn)應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)于曲柄銷(xiāo)和主軸頸分別為7.13和5.47。在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力中之間的區(qū)別因素的影響，在6％至9％的范圍內(nèi)，可以通過(guò)考慮了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的不確定性和簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型引入認(rèn)為是可接受的。
為了確定材料的彈性極限，進(jìn)行了加載 - 卸載準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試。當(dāng)觀(guān)察到一些應(yīng)變計(jì)的塑性轉(zhuǎn)變時(shí)，彎曲載荷增加是通過(guò)機(jī)器施加高達(dá)90KN的負(fù)載。測(cè)得的應(yīng)變值指出殘余氮化壓縮應(yīng)力，它有降低表面張應(yīng)力和增加所需的最大負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了材料的屈服強(qiáng)度的效果的影響。
通過(guò)舉例的方式，在應(yīng)變片上施加9到90KN的載荷 - 應(yīng)變曲線(xiàn)的磁滯的載荷示于圖103(b)，其中，所述壓縮和拉伸材料的行為之間的差別是明顯的。
參照秒4.1，并使用剛剛描述的加載 - 卸載試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)氮化殘余應(yīng)力的大小進(jìn)行評(píng)。在壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度分別提取由縱向應(yīng)變片4和9分別給出的措施。壓縮屈服強(qiáng)度是通過(guò)施加60KN頓的載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)，而沒(méi)有相當(dāng)大的塑性移檢測(cè)到最大拉伸負(fù)荷施加等于90千牛頓。為60KN頓和90KN施加的載荷測(cè)得的縱向和周向應(yīng)變值分別列于表5。通過(guò)應(yīng)用方程（10） - （14）以及考慮應(yīng)變測(cè)量的結(jié)果，對(duì)縱向和周向應(yīng)力極限進(jìn)行計(jì)算，值列于表6。通過(guò)馮?米塞斯橢圓，然后得出考慮縱向拉伸和壓縮應(yīng)力極限1353Mpa之間的代數(shù)差。
因?yàn)橛梢粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)裝置估算氮化試樣的力學(xué)特性的難度，材料的屈服強(qiáng)度被認(rèn)為是在范圍700/800兆帕。這個(gè)假設(shè)是有一個(gè)道理的事實(shí)，即滲氮鋼的屈服強(qiáng)度比母材更高為了研究這個(gè)參數(shù)的不確定性的影響，屈服強(qiáng)度的下限和上限分別用于構(gòu)建馮米塞斯橢圓。在圖11馮?米塞斯橢圓形的曲軸殘余應(yīng)力的評(píng)價(jià)顯示： AB偏轉(zhuǎn)角θ大約75度，殘余應(yīng)力在縱向和圓周方向，由點(diǎn)C的坐標(biāo)所表示的范圍內(nèi)，列于表6。因此，6％的屈服強(qiáng)度的不確定性導(dǎo)致在18％的所計(jì)算的殘余應(yīng)力的變化。
對(duì)于疲勞性的評(píng)價(jià)，曲軸是下一個(gè)拉壓負(fù)荷測(cè)試,用60千牛頓為106個(gè)循環(huán)的初始負(fù)載，然后所施加的負(fù)荷增加到90千牛頓。在第一步驟中，負(fù)載，在測(cè)試過(guò)程中測(cè)得的應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有相當(dāng)大的修改，均發(fā)現(xiàn)檢測(cè)既不用沒(méi)有明顯的表面裂紋宏觀(guān)光學(xué)調(diào)查，也不符合滲透劑無(wú)損墨評(píng)估。在第二個(gè)步驟-負(fù)荷中，應(yīng)變片數(shù)4突出顯示，從試驗(yàn)開(kāi)始，拉伸和壓縮區(qū)域之間的負(fù)載 - 應(yīng)變偏轉(zhuǎn)角的如圖所示12(a),這表明存在應(yīng)變片下存在表面疲勞裂紋。應(yīng)變片4的負(fù)載 - 應(yīng)變圖中的變形變得更加明顯隨著載荷循環(huán)的增加，直到本身出現(xiàn)繞100循環(huán)應(yīng)變片的失敗，確認(rèn)一個(gè)表面疲勞裂紋的存在，也指出了由增量在應(yīng)變片14的正應(yīng)變。經(jīng)過(guò)103個(gè)循環(huán)的第二步加載應(yīng)變片也失敗，可見(jiàn)裂紋已經(jīng)傳播到在對(duì)面的圓角 ，從如預(yù)期般沿45度平面主軸頸數(shù)值分析。曲軸然后被測(cè)試，直到完成斷裂發(fā)生在第二步驟中加載的個(gè)周期。
6結(jié)論
文的目的是數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究氣體滲氮上的船用柴油機(jī)曲軸的疲勞行為的影響。準(zhǔn)確彈性和彈塑性有限元模型被建立，論對(duì)于曲軸和用于具有部分還原和一個(gè)圓角半徑相同的式樣，這些曲軸的評(píng)價(jià)應(yīng)力狀態(tài)，并在關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)下彎曲，并估算殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值吻合良好，并指出，主體和曲柄銷(xiāo)軸頸圓角之間的45度的平面是從視圖的角度來(lái)看最關(guān)鍵的耐疲勞性。
一個(gè)創(chuàng)新的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程由下彎曲應(yīng)變測(cè)量的方法來(lái)確定殘余應(yīng)力場(chǎng)也被開(kāi)發(fā)。進(jìn)行在曲軸部分的實(shí)驗(yàn)測(cè)試指出的殘余應(yīng)力場(chǎng)，從而降低了最大拉伸彎曲應(yīng)力的有益效果。
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