外物损伤对25CrMo4合金车轴钢疲劳性能的影响

为研究外物损伤（FOD）与25CrMo4钢疲劳性能的关联，采用空气炮装置开展高铁车轴钢试样的FOD模拟试验. 首先于试样表面预制FOD缺陷；其次，通过旋转弯曲疲劳试验获得光滑试样和含FOD试样的应力-疲劳寿命（S-N）曲线；同时，基于有限元方法估算不同缺陷试样的应力集中系数，结合Peterson公式预测疲劳缺口系数（FNC）和疲劳极限. 研究结果表明:FOD车轴钢试样的疲劳性能明显低于光滑试样，冲击速度越高，疲劳性能越低；其中边缺陷的疲劳缺口系数最大为1.52，面缺陷最小，约为1.14，但疲劳寿命分散性较大；与试验结果相比，仿真模拟和理论计算可获得更低（偏于保守）的疲劳强度估算值.      

轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×1012 km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×105、2.0×105 km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。      

缺口对车轴钢疲劳性能的影响

采用钼丝进行线切割,制作了车轴钢表面缺口试样,运用有限元方法,计算了不同缺口的理论应力集中系数,通过旋转弯曲试验得到光滑试样和缺口试样的疲劳寿命（S-N）曲线,研究了不同缺口应力集中系数下车轴钢的参数变化规律.结果表明,缺口对材料疲劳寿命的影响,不仅仅表现在其S-N曲线相对于光滑试样S-N曲线整体下降,而且不同缺口S-N曲线左段的直线部分斜率也是不同的.     

30NiCrMoV12和EA4T材质高速动车组车轴服役性能

为全面掌握高速动车组30NiCrMoV12和EA4T两种车轴材质的服役性能，分别实测了新、旧车轴的化学成分、常规力学性能、标样疲劳特性、冲击性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值和疲劳裂纹扩展速率等，并对其金相组织进行观测，综合评价分析两种材质车轴服役性能. 结果表明:（1） 与EA4T材质相比，30NiCrMoV12材质车轴中Ni含量高10倍，Mo、V含量高2倍，C含量略高，抗拉强度高34%，屈服强度高54%，疲劳强度高30%；（2） 断裂损伤性能对比中，30NiCrMoV12材质车轴比EA4T材质车轴的常温冲击功约低12%，断裂韧性约高34%，EA4T材质新轴疲劳裂纹扩展门槛值比30NiCrMoV12新轴的高21%，旧轴时两者相当；（3） 当应力强度因子幅度小于50 MPa?m1/2时，30NiCrMoV12材质车轴裂纹扩展速率大于EA4T材质车轴，反之，30NiCrMoV12材质车轴裂纹扩展速率小于EA4T材质车轴；（4） 30NiCrMoV12材质车轴整个截面组织均为晶粒细小的贝氏体和回火马氏体，淬透性较好，制造工艺性能好；EA4T车轴在表面约30 mm深度范围为均匀的贝氏体和回火马氏体，后随深度增加逐渐出现铁素体，距表面60 mm为珠光体和铁素体，并以铁素体为主.      

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...     

铁路车辆部件抗疲劳评估的进展与挑战

从铁路车辆的安全运用及服役评估出发，论述了转向架部件(如构架、车轴等)的抗疲劳评估及应用进展，重点分析了合金钢EA4T车轴和碳素钢S38C车轴的设计理念差别，阐明了车轴运用评估中存在的难定量和过保守的理论局限性; 首创了“名义应力”+“损伤容限”有机融合的阶梯疲劳评估方法，给出了样本信息聚集改进原理、基于单轴拉伸的裂纹扩展模型、应力-缺陷-寿命的三参数评估图和表面残余应力重建等四大关键技术。分析结果表明:基于传统名义应力法的抗疲劳设计给出的寿命预测偏于保守，导致车辆部件维修不足或者过度维修; 基于单轴拉伸性能的新型裂纹扩展模型的精度优于NASGRO方程; Kitagawa-Takahashi图把基于名义应力的疲劳极限和基于断裂力学的缺陷特征有机关联起来，比Goodman图更直观、定量和全面; 基于表面单位压力法，获得了与实测结果一致的S38C车轴的压缩残余应力分布，表明压缩残余应力的引入提高了新干线车轴的抗微动磨损能力和抗疲劳裂纹扩展能力; 广域环境服役、超高周疲劳、增材修复再制造、断裂求解技术及动力学和强度学结合等问题成为未来研究的重要课题。      

铸造缺陷对铸钢节点钢结构力学性能的影响

为了研究铸钢件中铸造缺陷的等级大小、位置分布对其静力性能、疲劳性能的影响，通过Solidworks软件建立了包含铸钢节点的钢桁架结构的实体模型，根据已有研究成果确定了铸钢节点上缺陷的尺寸与位置；对带有不同铸造缺陷的桁架结构进行静力加载，通过分析结构的应力分布、位移分布情况确定铸造缺陷对其静力强度、静力刚度的影响；对带有不同铸造缺陷的桁架结构进行等幅疲劳加载，通过铸钢节点的修正应力疲劳寿命（S-N）曲线求得模型的局部疲劳寿命，明确铸造缺陷对结构疲劳性能的影响. 研究结果表明:当铸钢节点的不同位置含有相同大小的铸造缺陷时，不同模型的应力极值最大相差11.7%，不同模型的疲劳寿命相差两个数量级；当铸钢节点的同一位置含有不同大小的铸造缺陷时，不同模型的应力极值最大相差1.7%，不同模型的疲劳寿命相差一个数量级；以上两种情况对结构整体和局部的位移分布均没有明显影响；当铸钢节点中铸造缺陷的分布发生变化时，不同模型间应力极值的变化率为8.8%，不同模型的疲劳性能均劣于只包含单个铸造缺陷的模型.      

高速转向架构架强度及模态分析研究

根据某型高速转向架构架的结构特点,利用Ansys软件建立构架的有限元模型,依据TB/T 2368-2005标准和焊接材料的Goodman-smith疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估.结果表明:各关键点的等效应力均小于相应的许用应力,构架满足疲劳强度的要求.此外,还对构架的模态进行了分析,分析构架在某一频域内的振动模态,从而评价构架的动态性能是否满足设计要求.     

圆缺口试样的疲劳启裂和低周疲劳寿命研究

通过对３５ＣｒＭｏ材料的不同缺口半径下缺口试样的低周疲劳试验研究，得出缺口半径，载荷水平会影响缺口试样疲劳裂纹的形成和扩展的结论，并通过有限元分析和对各控制参数的比较，说明在多轴应力应变状态下，用局部等效应变能密度法能有效地进行缺口构件的低周疲劳寿命描述，并用光滑试样的疲劳寿命曲线可靠地进行了缺口构件的疲劳寿命估算。     

基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析

针对考虑转向架板件之间焊缝对其力学性能的影响,提高仿真分析结果的准确性和有效性,对基于焊缝结构的转向架构架进行了静强度分析,并采用准静态应力分析法对转向架构架进行疲劳强度分析以及疲劳损伤评估,研究了电机箱处不同焊缝结构形式对构架疲劳寿命的影响.研究结果表明:HV型T型焊缝较单面角T型焊缝而言,电机箱焊缝处的疲劳寿命提高了69.6％,能够有效提高转向架构架整体疲劳强度.     

微动对车轴钢疲劳性能的影响

针对铁道轮轴间微动损伤的特点,设计了能够模拟过盈连接在旋转弯曲载荷下微动损伤问题的试样轴和试样套管．在实物车轴的特定位置切割试样,加工制作了常规疲劳试样和微动疲劳试样,并采用温差法组装微动疲劳试样的轴和套管,然后借助四点旋转弯曲疲劳试验机,通过单点法试验得出了该车轴钢的常规疲劳寿命（S—N）曲线和微动疲劳寿命曲线．结果表明,微动显著降低了车轴钢的疲劳极限,并且微动疲劳试样均在轴套配合的边缘断裂．     

表面微喷丸对CuNi2Si合金疲劳短裂纹行为影响

在拉压载荷作用下，分别开展了CuNi₂Si合金微喷丸前后漏斗型圆棒试样的疲劳短裂纹复型试验；试验在预先确定的一系列载荷循环周次中断，以使用醋酸纤维膜对试样表面进行复型，进而采用逆序观察法获取了短裂纹萌生与扩展相关数据。分析结果表明:2种试样疲劳裂纹均萌生于试样表面，裂纹扩展受微观组织影响呈现曲折性增长, 整体表现出初期增长缓慢，后期裂纹长度迅速增长至试样断裂的趋势, 失稳扩展临界尺度约为750.0 μm; 微喷丸处理可以使裂纹增长模式由以晶间为主转为以穿晶为主，微喷丸前后断口形貌表现出巨大差异，相对未喷丸试样，微喷丸试样裂纹萌生位置呈现较大的晶体平面，无明显晶粒特征，裂纹源区面积较小，在疲劳过程中产生的纤维条纹数量较多，瞬断区韧窝形貌更为明显; 经微喷丸处理后，试样平均疲劳寿命提高约31.5倍，裂纹萌生和缓慢扩展阶段占比从整体疲劳寿命的60%增加至80%，可知微喷丸处理对于疲劳寿命的大幅提高主要体现在短裂纹的萌生和稳定扩展阶段，而这种强化效果主要受表面有效应力、硬度、晶界数目的共同影响，但该强化效果对疲劳裂纹扩展后期影响不大。      

缺口应力集中对5083-H111铝合金超高周疲劳性能的影响

为正确评价超高周范围内带缺口的5083-H111铝合金疲劳强度的降低程度和疲劳强度对缺口的敏感程度,用20kHz的超声疲劳实验技术分别对漏斗形光滑试件、缺口（2种）试件进行了105~1010周次的对称拉压超声疲劳实验,并用扫描电镜分析了疲劳断口形貌。结果表明:在1010周次内,光滑和缺口试件疲劳曲线分别表现出极限平台型和连续下降型特征,缺口显著降低了5083-H111铝合金的疲劳性能;绝大部分试件疲劳裂纹萌生于表面,断口上没有观察到鱼眼形貌特征。理论应力集中系数为1.94的试件疲劳弧线成凹形,理论应力集中系数为2.90的试件裂纹源分布在断口四周;不同的疲劳裂纹萌生机制使得缺口应力集中对疲劳性能的影响规律不同,对于只有一种表面裂纹萌生机制的5083-H111铝合金,超高周范围内疲劳缺口系数和疲劳缺口敏感系数均随着疲劳寿命的增加而增加。      

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比埘疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.     

Analyse of warm surface rolling on the grooved steel axle

Warm surface rolling is a working process between room temperature and re-crystallization temperature. With warm surface rolling of steel grade 45 grooved axle, its fatigue lifespan was measured by the endurance bending test. The influence of surface rolling reduction on the axle fatigue life period was experimentally studied at different surface rolling temperatures. The experimental results show that the fatigue life of the steel axles can be significantly improved by the warm surface rolling process. The optimum rolling reductions for the maximum fatigue life at different warm surface rolling temperatures were explored. The microstructures of the steel axles were analyzed. The surface strength improved by refining grains after the warm surface rolling was calculated by the Hall-Petch model. These research achievements could be also valuable to the relevant works.