LZ50车轴钢超长寿命旋转弯曲疲劳性能

使用旋转弯曲疲劳试验机在室温空气中测试LZ50车轴钢的S-N曲线以获得其在超长寿命区域的疲劳性能.结果显示,材料在弯曲5×106～109次时达到疲劳极限;在高于疲劳极限的应力范围,材料的S-N曲线满足三参数方程.对材料表面及断口的观察表明,疲劳裂纹始于材料表面铁素体组织,裂纹起始位置的断口上没有夹杂物等材料缺陷存在.上述结果与既有文献报道的研究结果不同,既有文献认为夹杂物在超长寿命区引起疲劳破坏.为了阐明LZ50车轴钢中夹杂物是否会引起材料在超长寿命区的疲劳破坏,使用测定的裂纹扩展门槛值和断裂力学理论分析了夹杂物引起车轴钢疲劳裂纹扩展的临界尺寸.     

45~#车轴钢疲劳性能试验研究

通过非金属夹杂物检验和室温拉伸试验,在确保材料的冶金质量和力学性能符合标准要求的基础上,进行旋转弯曲疲劳试验和断口分析,对45#车轴钢的疲劳性能进行研究。结果表明:与光滑试件相比,带有深度为0.75mm缺口的试件,其疲劳极限应力降低44%,其S—N曲线左段部分的斜率更大;其缺口敏感系数为0.79;表面应力集中是导致光滑试件萌生疲劳裂纹的原因;在有缺口的试件断口截面上存在多个疲劳源区,裂纹萌生在缺口的前缘,而且主要是由于缺口处应力集中所致;较大尺寸的非金属夹杂物也是导致车轴钢可能产生疲劳裂纹的启裂源。     

车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

沟槽性缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能影响规律研究

为研究沟槽类缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响规律,用线切割方法在试样上预置沟槽性缺陷,采用旋转弯曲试验方法测定光滑试样和含缺陷试样疲劳性能,绘制光滑和含缺陷试样的S-N曲线。通过扫描电子显微镜观察不同深度缺陷的疲劳断口,运用修正的Murakami模型预测试样疲劳强度。结果显示:疲劳裂纹萌生于预置缺陷处,缺陷尺寸对疲劳性能有显著影响,疲劳极限随着缺陷深度的增加而降低,疲劳强度的预测值与实际值的误差范围在20%之内。     

简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响

研究了在重载列车和高速列车车轮实际使用工况下,轮轨接触应力提高后车轮轮辋内部应力增加对轮辋疲劳裂纹萌生的影响。对普通列车、重载列车、高速列车上实际运用过程中发生辋裂的车轮进行失效分析和研究,结果表明:列车轴重增加和运行速度提高,导致车轮轮辋内部萌生裂纹的"临界夹杂物尺寸"减小,使车轮轮辋中原本处于安全尺寸范围的脆性夹杂物越过"临界夹杂物尺寸"成为疲劳裂纹萌生的主要发源点,最终导致车轮轮辋疲劳裂纹的形成。     

EA4T车轴钢的高周和超高周疲劳性能研究

研究了2组EA4T车轴钢的高周和超高周疲劳性能,一组是现车用的欧系EA4T车轴试样,一组是试验用车轴钢25Cr Mo4试样。采用旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验,结果表明,当应力水平较低时,2批试样均未发生108周次的疲劳断裂。疲劳断口的扫描电子显微镜观测显示,裂纹均从试样表面起源。S-N试验数据结果比较表明,试验用的车轴钢25Cr Mo4具有更好的疲劳性能。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

LZ50车轴钢的疲劳起裂阈值及强度

应用复型技术和逆序观测法对LZ50车轴钢光滑试样的早期疲劳短裂纹扩展行为进行试验研究.根据有效短裂纹理论,采用当量Ⅰ型主导有效短裂纹的概念描述材料群体疲劳短裂纹萌生、扩展的规律,利用最大微观结构障碍的概念推导该材料的疲劳起裂阈值及疲劳强度.研究结果如下:每个试样的有效短裂纹起源于试样表面的某些铁素体,这些裂纹萌生和扩展过程具有强烈的随机多裂纹特征;由于受最大微观组织障碍的约束,当量Ⅰ型主导有效短裂纹的扩展率具有初期下降和后期上升的特征;疲劳短裂纹的起裂阈值与最低扩展率和最大材料微观组织障碍相关,其值为1.973 76 MPa·m0.5;起裂阈值所对应的疲劳强度具有随表面缺陷当量尺寸的增加而下降的特点,当尺度大于50μm时,疲劳强度低于常规疲劳极限.     

重载列车紧急制动过程车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命预测

基于Abaqus软件,建立闸瓦-车轮-轨道三维有限元模型,设置车轮钢材料的接触属性和材料属性,对重载列车紧急制动过程进行热力耦合仿真;基于损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析重载列车整个紧急制动过程中车轮踏面瞬态温度分布、径向和切向应力分布以及弹性和塑性应变分布,并通过计算车轮踏面损伤参量判断疲劳裂纹萌生位置,预测不同轴重和不同闸瓦压力对车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:重载列车紧急制动时,车轮踏面上制动温度越高则相应热应力、热应变也越大,尤其当踏面最高温度超过100℃时,热负荷对裂纹萌生的影响更加显著;车轮踏面上裂纹萌生更多的是由剪应力和剪应变引起,轮轨接触斑内是最先萌生裂纹的区域;轴重为30 t、闸瓦压力为21 kN、初速度为100 km·h~(-1)时损伤参量最大为3.801 1,最大循环制动次数仅有236次。     

灰斑夹杂引起的钢轨闪光焊接头伤损研究

闪光焊接头焊缝处存在灰斑夹杂缺陷将导致轨头内部形成疲劳裂纹进而发生横向疲劳断裂。研究灰斑夹杂、焊缝断口对灰斑缺陷的质量要求以及二者之间的相互区别；提出灰斑是宏观断口形态的检验，灰斑断口可能存在灰斑夹杂，也可能不存在灰斑夹杂；根据钢轨闪光焊接头断轨案例检验结果，论述灰斑夹杂的伤损状态和伤损特点。     

高速道岔钢轨轨底材质疲劳性能试验研究

针对高速铁路道岔钢轨轨底萌生疲劳裂纹而导致轨件断裂的问题，以高速道岔R350HT钢轨为对象，从轨底中部硬度最低的位置取样，分别开展轨底材质拉伸试验、疲劳极限试验、疲劳裂纹扩展试验以及断裂韧性试验，为阐明高速道岔轨底疲劳伤损机理及轨件服役寿命预测提供依据。结果表明：采用升降法得到道岔R350HT钢轨轨底材质的疲劳极限为447.1 MPa，所有试样均失效于表面裂纹萌生；轨底材质裂纹扩展速率为da/d N=1.89×10^-10ΔK^4.18；室温(25℃)和低温(-10℃)环境下测试得到的断裂韧性接近，轨底材质在-10℃没有呈现低温脆性特征。     

低温对EA4T车轴钢疲劳性能的影响

为解决现行高铁车轴设计标准未考虑低温环境给高铁车轴的使用带来一定安全隐患的问题,运用旋转弯曲疲劳试验方法测试不同温度下试验钢疲劳性能,采用扫描电子显微镜观察疲劳断口,借助透射电子显微镜观察不同温度断口附近位错组态。结果表明:EA4T车轴材料应力敏感性与温度成反比,高于?80℃条件下EA4T车轴材料低温服役的疲劳性能优良,不会出现疲劳延—脆转变温度,安全可靠;随着温度的降低,自由位错数量减少,位错的产生与扩展被限制在体心立方(bcc)晶格密排位向内,位错开动所需驱动力阈值升高,疲劳裂纹在表面界面处萌生与扩展,扩展机制为滑移。     

超声频率加载下50#车轴钢超长寿命疲劳性能研究

利用20kHz超声疲劳试验方法,研究提速列车50#车轴钢的疲劳性能。超声疲劳试验结果表明,50#车轴钢不存在常规疲劳试验曲线所示的"疲劳极限",其S—N曲线表现出"二次下降型"特征,在超长寿命阶段,S—N曲线继平台之后又出现下降趋势。比较50#车轴钢的超声疲劳性能与常规疲劳性能,疲劳性能受频率影响,超声频率使材料疲劳强度提高。超声疲劳试验结果应用于常规疲劳强度设计时需进行强度修正,给出疲劳强度修正公式及修正系数。     

弯矩作用下钢轨疲劳裂纹扩展行为研究

研究目的：车辆在运行过程中受到多种载荷的相互作用。在多种因素作用下，如车轮本身有不圆度；车辆在通过曲线段、轨缝、岔道时对钢轨产生冲击，不可避免车轮会对钢轨产生法向载荷，从而使得弯矩对疲劳裂纹的萌生和扩展产生影响。为研究弯矩对不同材料钢轨疲劳性能的影响，本文在NENE-2型微动实验机上，对U71Mn、PD32种材料钢轨在弯矩作用下的疲劳裂纹扩展性能进行试验研究，据此提出减缓钢轨疲劳损伤的措施。研究结果：分析研究和试验表明，疲劳裂纹从应力集中点首先开始萌生，其中主剪切应力占有重要影响；静载作用时裂纹扩展方向会发生大角度改向，而动态加载过程中疲劳裂纹扩展方向稳定；相同加载速率条件下，PD3钢轨疲劳裂纹较U71Mn钢轨更易萌生与扩展。为了防止和减缓钢轨的疲劳损伤，应根据线路的类型和钢轨的实际工作环境选择适合材料的钢轨，货运重载线路，选择较高机械强度的PD3钢轨；高速线路，选择U71Mn钢轨．     

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机，在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响，涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢，以及1 280 MPa和1 380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料，且只有在硌伤深度超过150～200μm的临界值时发生，对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料，表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示，初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿，底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳，后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比，硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高，但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深，更易引发大块剥离，局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。     

焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响

为提供一种考虑焊接残余应力重分布效应的疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并以此研究焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元法计算焊接残余应力,再基于计算机图形学与等参元逆变换提出应力映射技术,并借助该技术将计算的应力映射到疲劳裂纹扩展分析模型.采用NASGRO方程,考虑焊接残余应力的重分布效应,研究焊接残余应力对疲劳寿命的影响.研究结果表明:1)即使是很小的焊接残余拉应力也可能对材料疲劳寿命造成显著的降低.相反,很小的焊接残余压应力也可能显著地提高材料的疲劳寿命,本算例不到10％材料屈服强度的焊接残余拉/压应力,将疲劳寿命降低了/提高了25％/75％以上;2)焊接残余拉应力对疲劳寿命的影响随着应力的增大而增大,但增大的比例随着应力值的增大而显著减小;3)残余压应力对疲劳寿命的影响程度要比同值的拉应力影响大.此外,根据研究结果还给出了一些降低焊接残余应力不利影响及提高材料疲劳性能的工程建议.     

机车抱轴箱随机应力谱下的疲劳寿命预估研究

针对机车铸钢抱轴箱在运行中产生疲劳裂纹的现象，笔者对机务段检修和返厂检修的抱轴箱进行了调研，认为裂纹长度服从正态分布。对抱轴箱及其改进结构进行了有限元分析，其应力最大部位与发生裂纹部位一致。通过动应力实测获取抱轴箱危险部位的应力谱，用局部应力一应变法结合断裂力学方法估算了抱轴箱的疲劳总寿命，并与名义应力法计算结果进行了比较。结果表明，2种方法所得的疲劳总寿命基本是一致的，用局部应力-应变法计算机车抱轴箱裂纹萌生寿命是一种合理的方法，而大的铸造缺陷是抱轴箱产生裂纹的最主要原因。最后采用统计方法得到了裂纹扩展破坏的累积失效概率函数。     

高速铁路关键材料超长寿命疲劳断裂性能

利用压电超声频率加速疲劳实验方法对钢轨钢、轴承钢及铝合金共7种高速铁路用材料进行测试.实验证明了超长寿命疲劳裂纹往往从材料内部夹杂生产的机制;而且,试件在超过107次、甚至109次应力循环后仍然继续发生破坏.由此可见,这些高速铁路材料并没有传统规范中所谓的疲劳极限,而只有疲劳强度.因此,只用107次循环以内的数据作为高速铁路材料疲劳设计的依据是危险的.     

滚动轴承疲劳寿命的最新动向

主要从三方面介绍了延长滚动轴承疲劳寿命的途径及发展动向。１．材料：分析了非金属夹杂物与寿命的关系和疲劳过程中的材料变化。为了延长轴承寿命，除采用真空脱气熔炼工艺外，近来人们十分关注陶瓷材料的应用，确认了热压氮化硅作为轴承材料具有最佳适用性。２．设计：分析了滚动轴承鼓形滚动面母线形状的合理性及滚道的壁厚、密封等与疲劳寿命的关系。３．疲劳寿命的计算公式：除介绍现行的公式外，还介绍了几种新的寿命修正系数     

车轮钢的化学成分、微观组织对车轮钢力学性能的影响

对国内外5种车轮钢的微观组织、准静态力学性能和疲劳性能进行测试,分析车轮钢的化学成分和微观组织对其准静态力学性能和疲劳性能的影响.结果表明:提高Mn与C元素含量之比以及Ni,Cr和Mo元素总含量,均能明显增加珠光体的弥散度,减小珠光体层片间距;细化奥氏体晶粒尺寸和增加珠光体弥散度,车轮钢的强度、塑性和韧性均有所改善;提高Mn与C元素含量之比有利于改善车轮钢的韧性特别是冲击韧度;车轮钢的疲劳裂纹萌生寿命随着奥氏体晶粒尺寸和珠光体团尺寸的细化而增加;车轮钢试样的化学成分和显微组织对疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹门槛值的影响很小.