40 Cr钢和50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨

在对称拉压超声疲劳试验装置基础上,开发研制非对称拉压超声疲劳试验装置和三点弯曲超声疲劳试验装置。采用超声疲劳试验方法,结合扫描电镜断口微观分析,对40 Cr钢和50车轴钢光滑试样和缺口试样,在超高周疲劳范围内的疲劳性能和疲劳断裂机制进行研究,主要研究成果如下。对40 Cr     

超声冲击对转向架用16MnR钢焊接接头疲劳性能的影响

采用HJ2-Ⅱ型超声冲击枪,对转向架用16MnR钢的焊接接头表面进行超声冲击处理.利用EHF-EM200K2-070-1A疲劳试验机,采用较低载荷频率(低于10 Hz)对16MnR钢焊接接头超声冲击前后的疲劳性能进行对比试验.试验结果表明:在疲劳寿命为2×106时,焊接接头试样在超声冲击处理前后的疲劳强度分别为265和325 MPa,提高了22.6％;超声冲击处理后焊接接头的疲劳寿命是处理前的51～59倍.经过超声冲击处理后,焊接接头焊趾处的应力集中程度和焊接残余应力降低,表明超声冲击处理对提高16MnR钢焊接接头疲劳性能具有显著的效果.     

超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

为提高转向架焊接构架焊接接头的超高周疲劳性能,分别采用不同冲击参数和冲击方式下的超声冲击和机械打磨,处理动车组转向架用SMA490BW钢的焊接接头,并利用超声疲劳试验系统测试处理前后焊接接头的超高周疲劳性能。通过残余应力测试、金相组织和断口形貌观察,分析用超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的机理。结果表明:在330 MPa应力条件下原始焊态接头的平均疲劳寿命约为0.252×107周次,经机械打磨后疲劳寿命可提高至1.232×107周次,提高约5倍;在2.0A冲击电流下对焊趾及焊根处进行20min的局部超声冲击后,其疲劳寿命可达4.978×107周次,提高约20倍;残余压应力的引入、表层晶粒的细化和焊趾外形的修整是焊接接头疲劳性能得到提高的主要原因;焊接接头经过超声冲击强化后,疲劳裂纹的萌生位置可能从焊趾或焊根处转移到材料表面其他缺陷处。     

表面处理对动车组用铝合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

采用超声冲击和磨平焊缝余高2种表面处理方法对高速列车用A7N01P高强铝合金焊接接头焊趾及焊缝处进行处理,利用超声疲劳试验机,研究母材与未处理和处理后焊接接头的超高周疲劳性能;借助扫描电镜(SEM)观察疲劳断口形貌,并借助显微硬度计和透射电镜(TEM)研究冲击后铝合金焊接接头冲击层的显微硬度变化和晶粒细化现象;探讨超声冲击对高强度铝合金焊接接头疲劳寿命的影响机理。研究表明:超声冲击后焊趾表层组织发生严重的塑性变形,形成较为明显的塑变硬化层,当冲击电流为1.5 A,冲击时间为5 min时,冲击层最外层硬度可达到150.51 HV,相比较未冲击处理提高了27.6%;试样冲击后超高周疲劳寿命较处理前有显著提高,当循环次数为107和109时,超声冲击试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了41.5%和48.6%,磨平焊缝试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了52.5%和59.9%;2种焊缝处理方法对试样的疲劳性能改善效果相差不大,考虑到超声冲击处理在经济性和可加工性上更具优势,推荐工程上采用超声冲击方法来改善和提高焊接接头的疲劳性能。     

不同比例过渡对变截面对接接头疲劳性能的影响

文章以轨道货车常用的Q450NQR1高强度耐候钢为试验材料,研究了比例过渡分别为1∶3、1∶4、1∶5时,对接接头的疲劳性能。结果表明：当指定寿命为5×10⁶次时,比例过渡为1∶3的变截面对接接头中值疲劳极限最高,达到193 MPa。随着比例过渡逐渐增大,中值疲劳极限逐渐下降,比例过渡为1∶4、1∶5时,中值疲劳极限分别为149 MPa、129 MPa。断口微观形貌分析表明：不同比例过渡下接头的裂纹源一般集中于板厚较低一侧的焊趾处,无明显缺陷的出现,启裂区断口齐整光滑、疲劳源分布清晰;扩展区可观察到相互平行的塑性疲劳条带;终断区断口呈明显的韧窝型韧性断裂。     

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。     

铁路钢桥整体节点双轴疲劳试验研究

依据铁路钢桥整体节点处次应力的形成和分布状态,设计次应力疲劳试件。利用双轴疲劳试验研究次应力对疲劳寿命的影响,同时进行有限元法对比分析。试验和理论分析结果表明,叠加次应力后的疲劳起裂寿命明显短于没有叠加次应力的疲劳起裂寿命,说明次应力对疲劳强度的影响不能被忽略。计算分析还发现,将次应力与轴向应力等同进行疲劳检算不恰当,将次应力全部当成轴向应力考虑的设计过于保守。     

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。     

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。     

大跨度钢桁拱桥拱桁交叉节点疲劳试验研究

大跨度公轨两用桥拱桁交叉节点处汇交杆件多、形状复杂、规模大、受力集中,处于典型的复杂空间受力状态。本文介绍根据疲劳损伤累计理论确定疲劳试验荷载的过程,得出疲劳荷载主要取决于下层汽车荷载和地铁荷载的结论。设计并制作1∶4缩尺模型,对该模型进行200万次疲劳加载试验。试验结果表明:结构应力水平较低,最大主拉应力为28.5 MPa,最大Von.Mises应力为45.1 MPa。在完成循环加载200万次后,试验模型未发现裂纹,逐步提高荷载幅,循环加载276万次,试验模型未发现裂纹,可得出重庆朝天门大桥的拱桁交叉节点连接结构在正常养护维修情况下,设计寿命期内不会发生疲劳开裂,疲劳强度满足要求。     

铁道车辆用铸铁制动盘的热疲劳性能评估

自从盘式制动装置问世以来，铁道车辆制动盘的热疲劳一直是个很棘手的问题。为开发对热冲击负荷有高耐热性能的铸铁制动盘，研制出了3种不同成分的候选材料。铸铁的主要化学成分为铁、碳、硅、锰、镍、铬、钼、铜和铝，并测试了其机械性能和热性能；然后用笔者研制出的热疲劳性能测试仪器进行了热疲劳性能的测试。该仪器可测温度范围为20～15...     

焊缝余高对A7N01P—T4铝合金焊接接头疲劳性能的影响

分别对4mm厚A7N01P—T4铝合金板材平滑对接焊缝试件和带余高对接焊缝试件进行了疲劳试验和分析。结果表明在10^7循环次数下。平滑对接焊缝的疲劳强度为120MPa,带余高对接焊缝的疲劳强度为90MPa。由焊缝余高造成的截面突变会引起应力集中,会削弱焊缝的疲劳强度。     

高速铁路钢桥的低温脆性断裂评估

基于断裂力学理论,提出采用损伤容限法的高速铁路钢桥低温脆性断裂评估方法。采用Euoro-code3确定正交异性板钢桥面的有效宽度和等效疲劳应力幅,应用断裂力学的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,按照同时考虑脆性断裂和塑性屈服断裂影响的R6破坏模式确定设计应力强度因子,根据裂纹的长度、冲击功和转变温度确定含裂纹钢板在不同温度下的断裂韧性,并考虑板厚对冲击功的影响,桥梁结构中焊接残余应力、列车速度、钢板弯曲成型等因素对钢桥低温脆性断裂的影响。该方法适用于无试验条件确定含裂纹钢板低温断裂韧性情况下的低温脆性断裂评估,也可用于钢桥的疲劳强度降低程度、使用寿命内检查次数和焊缝修补次数的确定。应用此方法对欧洲某高铁钢桥的钢横梁下翼缘进行-40℃条件下的低温脆性断裂评估结果表明,当列车速度大于150km.h-1且钢横梁、钢吊杆等局部构件活载应力在70MPa以上时,等效降温已经达到-5℃以上,此时必须考虑列车速度对其脆性断裂的影响,而对应变速率小于0.002 5s-1的构件可以不考虑列车速度对脆性断裂的影响。     

室温下高速车轮钢断裂韧性与冲击韧性的关系

通过紧凑拉伸(CT)实验,测试不同热处理条件下高速车轮钢的室温断裂韧性;在具有不同断裂韧性的CT试样上取样,制成标准夏比V型冲击试样,在室温下对冲击试样进行冲击实验,并对其断裂韧性、冲击试样的断口和显微组织进行观察和分析.结果表明:室温下该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性呈线性关系,预裂纹加载断裂和缺口冲击断裂以解理断裂为主;车轮钢中的夹杂物主要为Ti (C,N),在室温条件下对该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性基本没有影响.     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

提高铁路车轴疲劳性能的表面强化处理技术

文章介绍曰前国内外多种提高铁路车轴疲劳性能表面强化处理方法的特点及应用情况,并将近几年来发展迅速、并具有很大推广价值的超声冲击强化处理方法应用到铁路车轴的表面强化处理上,以期提高车轴使用寿命。通过对LZ50车轴钢进行超声冲击强化处理,在LZ50车轴钢表面上获得一层塑形变形层,在表面硬度提高的同时,表面粗糙度值降低,且存在有较高的残余压应力。而这些特性均将有利于提高车轴的疲劳性能。     

基于断裂力学的齿轮箱螺栓的失效分析及改进研究

指出由于铝合金齿轮箱和钢制螺栓的热膨胀系数不同．在齿轮箱温度升高后产生附加的温差载荷．此温差载荷是螺栓失效的根本原因，由此依据相关公式提出了改进措施。在对联接螺栓进行受力分析的基圳上应用断裂力学理论．对改进前后螺栓的疲劳寿命进行了预测。原结构的疲劳寿命短．不满足要求．改进后的结构满足要求：改进措施是有效的，这也为齿轮箱的设计提供了参考。并对45钢和40Cr这2种材质的螺栓进行了对比．进一步说明失郊的根本原因不是材质的问题．而是温差载荷     

普速铁路钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生研究和检验

以普速铁路京九线不同曲线半径为研究对象,建立车辆-轨道动力学模型、磨耗和裂纹萌生预测模型;计算60N廓形在不同曲线半径条件下的轮轨接触状态,预测了不同曲线条件下磨耗发展率、裂纹萌生位置与寿命,并与京九线现场观测结果进行对比验证.研究结果表明:随着疲劳损伤的累积,不同曲线半径下钢轨的阶段磨耗发展率呈下降的趋势,其中曲线半径小(600 m)的磨耗发展率降低最快,随着曲线半径的增大,平均磨耗发展率降低趋势减缓;不同曲线半径下钢轨裂纹萌生位置均在钢轨表面以下1~3 mm处,横向位置在距离轨顶中心15~20 mm范围内,曲线半径600 m外轨裂纹萌生寿命大约为2.64×10^5次,内轨裂纹萌生寿命约为4.86×10^5次,与现场观测较为符合.     

超声波检测钢管混凝土密实性

利用超声波在均匀介质中传播的速度为常数的原理,进行超声波法检测钢管混凝土密实性的研究。结果表明,超声波对钢管壁与混凝土脱开缝隙一类的缺陷相当敏感;检测时应尽量使用频率匹配的中低频传感器,测试频率一般选择在40～100kHz范围之内。超声波对钢管混凝土检测的结论表明,混凝土与管壁的脱离存在一定的规律性,拱脚部位混凝土比较密实,拱顶部位脱开现象比较普遍。     

地铁扣件DI弹条安装受力分析及工艺优化改进研究

为了整治地铁扣件DI弹条扣压力不足、疲劳断裂、锈蚀等病害,通过建立DI弹条扣件系统有限元模型进行安装状态受力特性分析,同时对弹条生产的原材料、工艺参数、表面处理方式等进行优化改进,最后对采用新工艺生产的DI弹条进行扣压力、疲劳试验和盐雾试验,验证了优化措施的有效性。研究结果表明:弹程为10. 5 mm时,弹条最大等效应力值为1 400 MPa,发生在弹条后拱小圆弧内侧,此区域为弹条关键受力区;相比60Si2Mn,采用60Si2MnA弹簧钢为原材料的弹条扣压力从8. 17 k N提高至8. 79 k N,疲劳次数从503万次提高至541万次。最优的弹条生产工艺参数为:加热温度应为930～1 020℃,淬火温度应≥830℃,淬火介质应为32号机油,淬火介质温度应为60℃±20℃,回火设备应为网带式连续回火炉,回火温度为500～550℃。弹条表面经多元合金共渗处理后的综合性能最好。