低温及预弹性应变下高速车轮钢的疲劳损伤机理与疲劳寿命预测研究

发布时间：2018-04-04 20:52

本文选题：高速车轮钢　切入点：低温疲劳　出处：《西南交通大学》2017年博士论文

【摘要】：高速铁路车轮的低温疲劳损伤问题是在我国开通世界首条高寒高速铁路线(哈尔滨-大连)后面临的理论问题和运营维护、修程制定等的工程问题。关于低温环境下的疲劳损伤,多数学者认为在晶界、滑移带、不同晶格结构界面、非金属夹杂等缺陷的边界等处疲劳裂纹易于萌生,但在疲劳源临界面上的晶粒内部,对其晶格结构与界面的相互作用机制方面的研究较少;另一方面,车轮在高速运行时,踏面时常也会受到瞬时冲击。因此,高速车轮内部的载荷是常规循环载荷上叠加瞬时冲击的弹性应变-高周疲劳过程,本论文引入预应变-疲劳损伤的方法进行研究。关于预应变-疲劳损伤,多数学者认为材料内部出现显微应变不协调的位置是造成预应变-疲劳损伤的重要原因,却忽略了应变速率对预应变过程的影响。本论文针对在不同应变速率作用下的车轮钢预弹性应变-高周疲劳损伤问题进行了深入的探究,这样的研究此前未见报道。本论文首先从车轮的实际服役工况出发,通过ANSYS分别分析了车轮(保持275km/h速度)在直线、曲线及道岔三种不同工况下的应力分布与频率响应。其次,在-60℃～60℃的温度及10-5s-1～10-2s-1的应变速率工况下,分别对车轮钢的高周疲劳损伤机理进行了详细的探究。最后,引入粗糙集理论对温度及预弹性应变影响下的高周疲劳过程中的特征参数进行了属性约简,尝试提出了基于属性约简的疲劳模型。本论文的主要结论归纳如下:(1)通过对车轮的瞬时动态应力分析表明,车轮踏面位置只有与轨道接触时,才会出现较大的接触应力,其余时刻几乎没有残余应力和车轮旋转惯性的影响:轮辋和轮辐位置的应力-应变响应则完全不同,一直处于高频、低应力幅的高周疲劳状态。(2)在-60℃～60℃的温度范围内,无论是车轮轮辋还是轮辐样品的高周疲劳断裂,都存在着局部韧性和脆性的显微断裂机制;在靠近疲劳源的疲劳临界面区域,晶粒或亚晶粒内部的晶格结构位向特征几乎一致,晶格均严格的倾向于bcc结构的主滑移面,即{110}和{112}晶面族。因此,在疲劳临界面上的晶粒/亚晶粒内部,晶格结构整体都进行了充分的偏转与滑移。(3)在-60℃～-30℃较低的温度范围内,低温高周疲劳损伤机制类似材料的“弹滞性耗散”,主要通过位错振荡的方式实现;形变模式主要依赖于限制在晶格内主滑移面上的平面式位错滑移;晶界位置的驻留滑移带的进一步扩展与位错阻碍对低温疲劳的失效扮演重要的作用。(4)在0℃～60℃较高的温度范围内,高温高周疲劳损伤机制类似材料的“非弹性耗散”,主要通过塑性滑移的方式实现;疲劳断面的临界区域出现大量的亚晶粒,以及在断面以下局部存在奥氏体相变,奥氏体与其周围的亚晶粒,形成单独的“亚晶粒包”结构特点;位错滑移带的运动与晶粒内部位错包界面的阻碍是高温疲劳断裂的最重要的原因。(5)关于预应变速率对材料的预应变水平和后疲劳损伤的研究发现:10-5s-1～10-2r-1范围的预弹性应变速率对后恒幅高周疲劳寿命的影响明显且非单调;在不同应变速率作用下的预弹性应变之后,材料内部就出现明显不同的位错结构特征,这为接下来的高周疲劳过程出现的循环塑性应变累积,提供了不同的节点和位置选择;预应变速率对材料的断裂韧度影响明显且非线性。综上所述,整个预弹性应变后的循环加载过程中,主要存在两个重要的疲劳损伤机制:晶粒内部均匀形变的强化机制和晶界或位错包界面结构完整性的断裂保护机制。(6)首次运用粗糙集理论对车轮钢高周疲劳寿命预测的研究,是在对低温和预弹性应变的特殊边界条件下的疲劳机理以及循环形变行为的良好认知,以及对特征参数进行分类的基础上,计算出适宜于不同边界条件下疲劳行为的特征参数的属性约简,建立了对疲劳过程中特征参数的约简方法,进而分别建立了温度和预弹性应变影响下的新的疲劳模型。该疲劳模型反映了载荷边界条件、连续性物理数据以及最终疲劳断裂的显微特征之间的内在联系,模型参数少并且能够对特殊边界下的疲劳寿命进行良好地预测。
[Abstract]:On the other hand , the stress - strain response of wheel steel under different strain rates is considered to be the most important cause of pre - strain - fatigue damage . In this paper , it is found that there are two important fatigue damage mechanisms in the critical area of high temperature and high cycle fatigue damage after pre - strain rate .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.1

【参考文献】