高速列车铸钢制动盘热疲劳性能研究及寿命预测

发布时间：2017-08-05 00:12

  本文关键词：高速列车铸钢制动盘热疲劳性能研究及寿命预测

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【摘要】：制动盘是高速列车重要的基础制动装置之一,其在服役过程中的安全可靠性直接影响到列车的运行安全。制动盘在长期的服役过程中,反复受到循环温度的作用,因此由循环交变热应力导致的热疲劳开裂是制动盘失效的主要原因之一。本文对高速列车制动盘铸钢材料在不同温度下的力学性能、热物理性能和热疲劳性能进行了实验研究,为数值模拟提供基础数据,采用热-力顺序耦合的方法模拟了铸钢制动盘在紧急制动和常规制动工况下的温度场和应力场分布,并通过子模型技术研究了表面划伤对制动盘温度场和应力场的影响。同时,将热疲劳实验与数值模拟技术相结合,研究了制动盘热疲劳裂纹萌生特点、热疲劳裂纹扩展行为以及热疲劳过程中组织的演变规律,确定了各循环温度下热疲劳试样的应力应变响应曲线和裂纹扩展速率da/dN～ΔK曲线,并对无缺陷制动盘和划伤制动盘的热疲劳寿命进行预测。主要结论如下：(1)紧急制动时热应力超过了制动盘材料的屈服强度,造成了不可恢复的塑性变形,在盘面上产生了215MPa的等效残余应力,其中环向拉应力是造成制动盘发生热疲劳破坏的主要应力分量；常规制动时制动盘摩擦面处于弹性变形阶段,冷却到室温后,摩擦面没有残余应力产生。(2)划伤缺陷对制动盘的应力分布作用显著,划伤在制动盘表面造成了局部应力集中,不同划伤处的等效残余应力为无缺陷盘的2.32～4.31倍；其中制动盘表面的局部应力随着划伤位置、缺口角度的增大而降低,并随划伤深度的增大而增加,垂直于划伤的径向应力是导致制动盘裂纹萌生和扩展的主要驱动力。(3)铸钢材料的热疲劳裂纹在高温氧化腐蚀和热循环应力共同作用下在缺口尖端处萌生,裂纹的萌生方式为穿晶开裂；主裂纹的扩展机制是裂纹尖端在循环应力的作用下不断的张开钝化、闭合锐化,使得裂纹平直向前扩展,同时高温氧化腐蚀、组织的演变和循环软化加速了裂纹的扩展,主裂纹的扩展方式为穿晶；网状裂纹的萌生和扩展机制是缺口区域在局部应力集中作用下不断的塑性累积产生褶皱,同时在高温下氧元素对晶界的削弱促使了网状裂纹在晶界处萌生和扩展,网状裂纹的萌生和扩展方式为沿晶。(4)在热疲劳过程中,试样淬火区的硬度表现为软化和硬化循环交替出现,硬度呈类周期震荡变化特点,但总的趋势为循环软化,而且软化程度随着循环上限温度提高而增大；相对应的,在650℃循环上限温度时,试样淬火区组织发生缓慢变化,原本保持着马氏体位向的回火索氏体组织逐渐转变为粒状索氏体组织,而循环上限温度为600℃以下时,材料的组织没有发生明显的变化,具有较高的热稳定性。(5)划伤制动盘与无缺陷制动盘相比,热疲劳裂纹萌生寿命缩短了3.7～5.7倍,同时划伤半径和缺口角度越小热疲劳裂纹萌生寿命越短,划伤深度越大裂纹萌生寿命越短。(6)划伤制动盘与无缺陷制动盘相比,热疲劳裂纹扩展寿命最多下降了20倍,而且不同划伤位置对比,划伤位于制动盘中间位置时扩展寿命最短；不同划伤深度对比,划伤深度为3mm时扩展寿命最短：不同划伤缺口角度对比,角度为60°时扩展寿命最短。
【关键词】：铸钢制动盘 数值模拟 划伤缺陷 热疲劳性能 寿命预测
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U270.35;TG260
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 制动盘温度场和应力场数值模拟13-16
• 1.2.2 制动盘热疲劳的研究现状16-18
• 1.2.3 制动盘热疲劳寿命预测18-19
• 1.3 论文研究内容19-22
• 第二章 实验材料及实验方法22-31
• 2.1 实验材料22-27
• 2.1.1 制动盘材料22
• 2.1.2 制动盘铸钢材料力学性能测试22-25
• 2.1.3 制动盘铸钢材料热物理性能测试25-27
• 2.2 有限元数值模拟27
• 2.3 制动盘铸钢材料热疲劳测试27-31
• 2.3.1 制动盘铸钢材料热疲劳测试方法27-30
• 2.3.2 热疲劳微观组织分析30
• 2.3.3 热疲劳硬度测试30
• 2.3.4 热疲劳裂纹分析30-31
• 第三章 制动盘温度场和应力场数值模拟31-60
• 3.1 制动盘有限元模型的建立31-33
• 3.1.1 制动盘结构特点及相关参数31-32
• 3.1.2 有限元分析的基本假设条件32-33
• 3.2 制动盘模型的计算参数和边界条件33-43
• 3.2.1 制动盘铸钢材料的热物理性能和力学性能参数33
• 3.2.2 制动工况33-35
• 3.2.3 制动盘的表面对流换热系数35-39
• 3.2.4 制动盘的热辐射系数39-40
• 3.2.5 制动盘摩擦生热的热输入计算40-42
• 3.2.6 制动盘热应力场数值模拟的参数设定42-43
• 3.3 有限元计算结果与分析43-51
• 3.3.1 制动盘温度场结果与分析43-47
• 3.3.2 制动盘应力场结果与分析47-51
• 3.4 划伤制动盘温度场和应力场有限元计算分析51-58
• 3.4.1 划伤制动盘模型的建立51-53
• 3.4.2 划伤缺陷对制动盘温度场的影响53-54
• 3.4.3 划伤缺陷对制动盘应力场的影响54-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 制动盘铸钢材料的热疲劳性能研究60-83
• 4.1 制动盘铸钢材料热疲劳实验60-62
• 4.1.1 铸钢材料的热疲劳裂纹萌生60-61
• 4.1.2 铸钢材料的热疲劳裂纹扩展61-62
• 4.2 制动盘材料热疲劳数值模拟62-69
• 4.2.1 热疲劳试样模型的建立62-64
• 4.2.2 热疲劳试样温度场的模拟结果64-65
• 4.2.3 热疲劳试样热应力场的模拟结果65-69
• 4.3 制动盘铸钢材料热疲劳破环机理研究69-81
• 4.3.1 热疲劳裂纹萌生特点69-71
• 4.3.2 热疲劳裂纹扩展行为71-78
• 4.3.3 热疲劳过程中组织演变规律78-81
• 4.4 本章小结81-83
• 第五章 制动盘铸钢材料热疲劳寿命预测83-96
• 5.1 制动盘热疲劳裂纹萌生寿命预测83-85
• 5.2 制动盘材料热疲劳裂纹扩展寿命预测85-94
• 5.2.1 热疲劳裂纹尖端应力强度因子数值模拟85-87
• 5.2.2 制动盘材料在各温度下da/dN～ΔK曲线87-89
• 5.2.3 制动盘热疲劳裂纹扩展寿命预测89-94
• 5.3 本章小结94-96
• 第六章 结论与展望96-99
• 6.1 结论96-97
• 6.2 展望97-99
• 致谢99-100
• 参考文献100-106
• 攻读硕士期间发表文章106

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本文编号：622361