桥梁缆索钢丝疲劳性能影响因素试验

为研究桥梁缆索钢丝的疲劳与腐蚀疲劳性能，采用不同强度等级新钢丝、服役7年的斜拉桥拉索钢丝和人工加速腐蚀钢丝开展了缆索钢丝疲劳与腐蚀疲劳试验；根据典型疲劳断口宏观形貌特征，探究了缆索钢丝的疲劳断裂机制；采用威布尔分布函数拟合了缆索钢丝的应力-疲劳寿命曲线，对比了不同钢丝应力-疲劳寿命曲线的差异，揭示了强度等级、应力比、腐蚀损伤和腐蚀疲劳损伤4个关键因素对缆索钢丝抗疲劳性能的影响规律，并建议了相应的疲劳强度曲线。试验结果表明：钢丝未发生腐蚀时抗疲劳性能良好，随着强度等级的提高，缆索钢丝的疲劳强度显著增大，对应的疲劳极限也逐渐上升；缆索钢丝的疲劳强度随应力比的增大而显著减小；腐蚀和腐蚀疲劳损伤均会大幅降低缆索钢丝的疲劳强度，腐蚀疲劳损伤对缆索钢丝剩余疲劳寿命的影响大于单一腐蚀损伤；新钢丝的疲劳裂纹起源于表面划痕或材料不均匀处，对于带腐蚀和腐蚀疲劳损伤的钢丝，蚀坑处存在显著的应力集中，疲劳裂纹源形成于钢丝表面蚀坑处，多源裂纹萌生与裂纹不规则扩展的几率增大；桥梁缆索抗疲劳设计与安全评估时应综合考虑钢丝强度等级、应力比、腐蚀和腐蚀疲劳损伤的影响，试验采用国内桥梁缆索广泛使用的钢丝，得到的疲劳强度可...     

15MnVNq桥梁钢焊接接头疲劳裂纹及扩展行为的研究

采用GB6359-86规定的方法,运用数理坑计方法回归处理数据,归纳得出了15MnVNq桥梁钢的疲劳裂纹扩展中速区母材、焊缝和热影响区金属的Paris公式表达式,以及疲劳裂纹不扩展门槛值回归曲线△K_(th)(R)。并在疲劳断口微观形貌的研究方面进行了尝试,得到了二次裂纹影响疲劳裂纹扩展的证据。在残余应力影响紧凑拉伸(CT)试样疲劳裂纹扩展的研究方面也取得了进展。     

WEL-TEN780A高强钢及焊接接头疲劳裂纹扩展速率

依据GB6398-86,采用紧凑拉伸试样(CT),对WEL-TEN780A钢及其用L-80SN焊条手工电弧焊焊接接头的焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率进行了研究.结果表明在相同的疲劳循环载荷作用,
热影响区疲劳裂纹扩展速率高于母材和焊缝,焊缝金属具有最低裂纹扩展速率.焊缝金属中的针状铁素体细小且被大角度晶界所分割,疲劳裂纹扩展时要消耗更大的能量,从而降低裂纹扩展速率,成为止裂型焊缝.     

滚动方向对CL60车轮材料接触疲劳损伤的影响

为研究车轮滚动方向对车轮材料接触疲劳损伤的影响机制,利用WR-1滚动磨损试验机进行了车轮单向和双向运行滚滑磨损试验,使用光镜和扫描电镜分析了试验后车轮试样的表面磨损形貌、剖面疲劳裂纹形貌及磨屑尺寸,探究了换向运行工况下车轮表面损伤、裂纹扩展、磨屑尺寸随反向循环次数的演变规律. 研究结果表明:车轮表面损伤以起皮剥落为主,反向循环次数从1万次增加到12万次时,初始剥落逐渐消失,继而形成与原滚动方向相反的新剥落,相同循环次数下改变车轮滚动方向有利于减轻车轮材料疲劳损伤;车轮换向改变了表面微裂纹的扩展方向,形成4°～8° 的反向疲劳裂纹,并出现了裂纹扭曲和分支现象;单向滚动时,随循环次数增加,磨屑尺寸先增大后减小,反向后磨屑厚度先增大后减小,反向1万次时,磨屑厚度增大到10～12 μm,为单向时的两倍.      

非线性疲劳损伤累积下钢轨裂纹萌生预测

将考虑荷载作用次序的损伤曲线法与考虑荷载相互作用的疲劳损伤法相结合,修正了非线性疲劳损伤累积模型,提出基于非线性疲劳损伤累积的钢轨疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法,并与其他线性和非线性疲劳损伤累积模型的预测结果进行对比.结果发现:非线性疲劳损伤累积模型计算的累积损伤高于线性疲劳损伤累积模型的结果,其中非线性疲劳损伤累积修正模型得到的损伤累积最大,相应的裂纹萌生寿命最小;对U75V热处理钢轨来说,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命为车轮通过次数约2.58×105次,裂纹萌生于钢轨次表面,距离钢轨表面深度约2.12mm,平均磨耗发展率为2.90μm/万次;Miner线性疲劳累积模型预测的裂纹萌生寿命接近现场观测值的上限,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命接近观测结果中值.     

轮轨疲劳损伤模拟实验研究及展望

轮轨的疲劳损伤严重影响高速重载铁路运行安全,其研究受到广泛的关注和重视.本文总结了目前轮轨疲劳损伤行为的主要研究方法,指出了模拟实验是研究轮轨疲劳损伤的一种重要手段;介绍了西南交通大学轮轨摩擦学课题组利用轮轨模拟试验机开展的系列国产轮轨材料疲劳损伤模拟实验结果,分析了影响轮轨表面疲劳裂纹损伤的关键因素,阐明了轮轨材料次表面疲劳损伤的形成与扩展规律,初步研究了低温环境对轮轨材料疲劳损伤行为的影响;最后,展望了复杂服役工况(高寒、高温、高湿、雨雪、风沙、雾霾、柳絮)下我国轮轨材料疲劳损伤研究未来需深入开展的研究内容.      

宽温域下高速轮轨界面粘着与车轮表面损伤行为

搭建了高低温服役环境轮轨滚动试验台，在实验室条件下成功再现了哈大线等高寒铁路冬季车轮表面剥落和麻点严重、夏季异常光滑的季节性损伤特征；研究了宽温域(-50 ℃~60 ℃)下高速列车轮轨界面粘着和车轮损伤行为，系统探讨了不同服役温度下轮轨滚动接触界面的粘着系数演变规律，分析了车轮表面磨损形貌和表层材料塑变行为等重要特性。研究结果表明:随着服役温度的提高，轮轨界面粘着系数总体呈下降趋势，同时，车轮表面的凹坑尺寸减小，在高温60 ℃时，凹坑特征消失，磨损表面变得较为平整；在低温-40 ℃时，车轮表面最为粗糙，算术平均粗糙度为3.74，而随着服役温度的上升，磨损表面粗糙度显著下降，在高温60 ℃时，车轮表面算术平均粗糙度较小，为0.97；随着服役温度的升高，轮轨接触界面的磨损区域内Fe元素含量与O元素含量之比逐渐减小；低温低湿环境抑制了轮轨界面的摩擦氧化作用，增强了摩擦剪切作用，加剧了车轮表面的剥落、严重的塑性变形和表面疲劳裂纹的萌生与扩展，因此，磨损表面较为粗糙；而高温环境加速了轮轨界面的摩擦氧化作用，氧化磨屑的形成一定程度上起到了固体润滑作用，从而降低了轮轨界面间的粘着，车轮表面相对光滑；磨损机制由低温(-50 ℃~-20 ℃)服役工况下的疲劳磨损逐渐转变为常温(20 ℃)工况下的磨粒磨损和氧化磨损与高温(40 ℃~60 ℃)工况下的粘着磨损。      

重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响

采用钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法,分析重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响。研究发现,在800 m小半径、钢轨材质为U75V热处理的曲线外轨上,随着车辆轴重从23 t逐步增加到30 t,钢轨平均磨耗发展速率从3.813 2μm/万次增加到4.208 3μm/万次,平均疲劳累积损伤从0.019 5万次增加到0.028 8万次,裂纹萌生寿命从31.8万次减少到23.1万次。轴重平均每增加1 t,钢轨平均磨耗发展率增加1.48%,平均疲劳累积损伤率增加6.81%,而裂纹萌生寿命减小3.93%。     

铁铬镍合金在热机械循环迭加条件下表面氧化层开裂特征研究

采用薄膜复型技术研究了不同热机械循环迭加条件下铁铬镍合金表面氧化及氧化层开裂特征行为的细节。研究表明，热机械循环迭加促进表面晶界优先氧化。在热机械循环同相迭加条件下氧化晶界局部开裂与扩展是占优势的断裂方式，而发生在循环后期的裂纹相互连结过程对断裂寿命影响较小。而在反相迭加条件下，合金基体剪切滑移变形诱发高密度表面氧化物裂纹，随着循环的进行，大量扩展裂纹相互连结是主要的断裂方式，从而加速了断裂过程，     

酸雨环境-荷载耦合作用下拉索腐蚀损伤机理研究

通过开展拉索镀锌钢绞线在酸雨环境/荷载耦合作用下的人工加速腐蚀试验,对斜拉索施加交变荷载、静态荷载和无荷载,得出3种加载方式与腐蚀速率的关系,并论述了钢绞线应力腐蚀疲劳损伤的特点与机理;采用ANSYS有限元软件对不同腐蚀情况下的斜拉索进行数值模拟,分析了钢绞线均匀腐蚀、表面蚀坑深度对钢丝等效应力分布状态的影响。研究表明:加速腐蚀试验中的钢绞线,受到复杂荷载的构件在同等腐蚀环境中的腐蚀速率更高;腐蚀试验前期,应力腐蚀和腐蚀疲劳对抗拉强度的影响不大,3种加载方式之间的抗拉强度无明显差异,腐蚀试验中后期,抗拉强度开始急剧下降,交变应力加载试件出现抗拉强度短暂提高的现象;钢绞线腐蚀越严重,其在役状态时钢绞线表面蚀坑附近的应力就越大。     

三维弹塑性轮轨滑动接触热机耦合分析

为提高轮轨滑动接触热响应分析的准确性,基于Johnson-Cook材料模型,充分考虑含摩擦因数在内多种材料属性的温度相关性、3种热传递方式和轮轨实际廓形,建立了全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型,采用完全耦合法对滑动接触状态下的轮轨进行热机耦合分析;研究了车轮以1 m·s-1速度沿钢轨滑行0.1 s时的轮轨温度场和应力场分布特性,分析了轴重、相对滑动速度对轮轨接触区温度场的影响,得到了热影响层深度、热影响层宽度、轮轨表层温度随轴重、相对滑动速度的变化关系。分析结果表明:轮轨最大等效应力发生在次表层接触斑中心处,车轮表层最高温度发生在接触斑后半部分中心处,车轮表层最高温度为848 ℃,钢轨表层最高温度为768 ℃,钢轨表层最高温度低于车轮表层最高温度;轮轨热影响层很薄,车轮热影响层深度约为4.22 mm,钢轨热影响层深度约为3 mm;轮轨热影响层深度随轴重增大无明显变化,而宽度随轴重的增大而增大,轮轨热影响层深度随相对滑动速度的增大而减小,而宽度随相对滑动速度增大无明显变化,轮轨表层温度随轴重和相对滑动速度的增大而增大,且相对滑动速度对轮轨热响应影响更大。全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型及热机完全耦合法能够更加准确地预测轮轨滑动接触热响应,对合理开展轮轨热损伤和热疲劳研究具有重要意义。      

表面状态对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响

对表面脱碳与喷丸状态不同的60Si2CrVAT弹簧钢进行了疲劳性能对比试验,结果表明:860℃-50min加热,试样表层形成约0.1mm的脱碳层,但未观察到对疲劳寿命产生明显影响;适度喷丸在试样表层形成压应力使疲劳寿命大大提高;过度喷丸虽使表面粗糙度减小,但使表层材料受到损伤,因此疲劳寿命平均值降低.     

建筑结构钢焊接接头局部组织对断裂特性的影响

对从建筑结构钢焊接接头切取的具有典型组织的小型板状试样，在７７Ｋ￣１１２Ｋ进行了系列温度小型穿孔试验以研究组织因素对断裂特性的影响。在母材中裂纹易在珠光体团－铁素体界面等处形成与扩展。焊缝金属中含有粗大组织时其韧脆转变温度较高，而再加热组织细化区韧脆转变温度则大大降低。焊接热影响区由于组织和形态变化而有较低的韧性转变温度。     

焊接工艺对6061-T6铝合金接头疲劳性能的影响

通过脉动拉伸疲劳性能试验和对疲劳断口的形貌分析,分别对不同线能量、不同预热温度和不同层间温度下的6061-T6铝合金MIG焊对接接头疲劳性能进行了研究.结果表明:随着线能量的增加和预热温度的降低,接头指定寿命为1×107的中值疲劳极限σ01有所升高,且在不同层间温度下,层间温度为70 ～90℃时中值疲劳极限σ01较高.疲劳试验中所有断裂试件均在焊缝处断裂,其断口形貌分析表明:试验试件焊缝处表面或近表面的气孔是整个疲劳断裂的启裂源,在脉动载荷的作用下,裂纹从此处产生并向内部逐渐扩展.疲劳裂纹启裂区和扩展区具有典型的疲劳断裂特征,疲劳纹清晰,终断区为韧窝型断口形貌.     

基于临界域法的桥梁钢丝腐蚀疲劳寿命

为评估桥梁钢丝服役期间的腐蚀疲劳性能,采用临界域法,根据钢丝腐蚀坑局部应力梯度求解临界距离.采用精细有限元法,建立了钢丝腐蚀疲劳寿命预测模型;通过圆形、三角形和含切口的三角形3种形状腐蚀坑钢丝的疲劳试验,获得了它们的疲劳寿命,并与疲劳寿命的预测结果进行比较.研究结果表明:轴向应力分布决定钢丝的疲劳强度;临界距离随应力集中效应增强而减小;腐蚀钢丝的剩余寿命可根据应力集中系数评估,应力集中系数大于3的腐蚀钢丝应考虑更换.      

地铁转向架制动风管表面横向裂纹分析

某地铁公司在检修时发现某转向架制动风管断裂,作者采用宏观分析、元素分析、微观分析等手段对该制动风管进行分析,结果表明该制动风管裂纹件表面局部有沿晶腐蚀凹坑及腐蚀裂纹,并承受有一定的装配应力,这是其产生应力腐蚀疲劳裂纹的主要原因。     

机翼结构件的疲劳测试

在交变载荷作用下,在机翼腹板结构件表面粘贴应变花,实时监测疲劳试验时试件的应力应变状况,采用X射线确定了疲劳破坏后的试件表面和内部裂纹的大小与位置,分析了结构件结构损伤的部位和损伤程度,预测了结构件的裂纹扩展寿命。测试结果表明:在40kN正弦交变压缩载荷作用下,试件的疲劳寿命约为100万次,符合疲劳寿命分布预期1万～100万次;疲劳试验测得的应力与理论计算结果有相近的变化趋势,误差约为10%;高锁螺栓和薄板断裂破坏是该处过大的载荷和绕x轴的弯矩共同导致的;估算的疲劳裂纹扩展寿命为10 183次。     

WEL—TEN780A高强钢及焊接接头疲劳裂纹扩展速率

依据ＧＢ６３９８－８６,采用紧凑拉伸试样,对ＷＥＬ－ＴＥＮ７８０Ａ钢及其用Ｌ－８０ＳＮ焊条手工电弧焊焊接接头的焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明：在相同的疲劳循环载荷作用下,热影响区疲劳裂纹扩展速率高于母材和焊缝,焊缝金属具有最低裂纹扩展速率。     

16MnR钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为及裂纹闭合效应的研究

测定了16MnR母材、焊缝以及热影响区三种试件的疲劳裂纹扩展速率和在四个应力比(R=0.1,0.3,0.5,0.8)下的门槛值。得到了在疲劳裂纹扩展中速区和低速区的扩展规律。此外,还研究了残余应力和应力比对该钢种疲劳门槛值的影响,以及近门槛值域内疲劳裂纹的闭合效应。     

疲劳损伤细观分析

对19Mn6合金钢疲劳试样进行了系列低周疲劳试验,采用光学金相方法观察了试样表面微裂纹的萌生和扩展规律,基于损伤局部性概念对疲劳部损伤规律提出了细观疲劳局部损伤参数Dw。Dw随施加的疲劳循环而呈指数增加,一直达到临界值1。损伤非线性因子m值较宏观测量方法所得结果明显降低。