铁路车轮超高周疲劳行为研究和寿命评估方法
发布时间：2021-08-16 16:52
本文结合我国对轨道交通轮轨系统金属材料服役安全性要求的重大工程需求,以车轮钢和实际服役车轮为研究对象,采用理论与试验相结合的方法,开展了滚动接触载荷下铁路车轮超高周疲劳行为及剩余寿命评估方法的研究。在车轮钢疲劳性能研究方面（材料层面）,开展了 ER8车轮钢的高周和超高周疲劳实验,车轮钢高周疲劳裂纹大部分都萌生于试样表面,也有部分试样裂纹萌生于内部夹杂物处,夹杂物尺寸较大,最大夹杂物可达200μm。针对车轮钢超高周疲劳断口的微观分析,裂纹萌生于试样内部夹杂物,观察到了典型的“鱼眼”特征,FGA（Fine Granular Area）形貌不是特别明显。因此车轮钢在高周和超高周疲劳中都会发生夹杂物引起的内部裂纹萌生,工程中需关注车轮实际服役过程中由于内部裂纹萌生而引起的失效。针对服役车轮的疲劳研究（部件层面）,统计了近十年铁路车轮辋裂和剥离,结果表明辋裂和剥离通常是由内部（10-25 mm的深度处）和亚表面（距踏面小于10 mm的深度处）夹杂物引起的疲劳破坏,破坏里程在十万公里,甚至百万公里以上,对应的疲劳寿命在107-109,属于超高周疲劳。车轮的服役载荷以滚动接触载荷为主,在此载荷的作用...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２高强钢超高周疲劳裂纹内部萌生至断裂全过程示意图［ｎ】：?Ｉｎｃ：夹杂物，ＦＧＡ：细颗粒??
??扫描电子显微镜（ＳＥＭ）图像（图１－ｌｃ）显示的ＦＧＡ是灰度相对小的亮区，因而也被称??为颗粒状亮面区（ｇｒａｎｕｌａｒ?ｂｒｉｇｈｔ?ｆａｃｅｔ，?ＧＢＦ）［２２］。图１－２示意表达高强钢超高周疲劳??裂纹萌生于夹杂物直至断裂的过程［１１］。裂纹萌生于试样内的夹杂物，裂纹萌生和??初始扩展呈现鱼眼（ＦｉＥ）特征，ＦｉＥ包含裂纹萌生区ＦＧＡ。ＦＧＡ断面相对粗糙，ＦＧＡ??外的ＦｉＥ区断面相对平整，ＦｉＥ区之外为裂纹快速扩展区，裂纹面粗糙度较大。??鱼眼??图１－１?ＧＣｒｌ５钢超高周疲劳裂纹起源于亚表面［２Ｇｌ（Ｇｍａｘ＝ｌ〇２４ＭＰａ，Ｎｆ＝３．５ｘｌ〇８）：?ａ）断口全??貌光镜图像，ｂ）鱼眼光镜图像，ｃ）?ＦＧＡ扫描电镜图像??Ｆｉｇ．?１－１?ＧＣｒｌ５?ｓｔｅｅｌ?ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ?ｃｙｃｌｅ?ｆａｔｉｇｕｅ?ｃｒａｃｋ?ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ［２０］?（ｏｍａｘ?＝?１０２４??ＭＰａ，?Ｎｆ?＝?３．５ｘ?１０８）：?ａ）?ｌｉｇｈｔ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｒａｃｔｕｒｅ，?ｂ）?ｆｉｓｈｅｙｅ?ｌｅｎｓ?ｉｍａｇｅ，?ｃ?）?ＦＧＡ?ＳＥＭ??ｉｍａｇｅ．??Ｉｎｃ?ＦＧＡ?ＦｉＥ?ＳＣＧ?ＦＣＧ??Ｉ?１ｓｔ?ＴＰ?｜?｜?２ｎｄ?ＴＰ?｜?｜?３ｒｄ?ＴＰ?｜??图１－２高强钢超高周疲劳裂纹内部萌生至断裂全过程示意图［ｎ】：?Ｉｎｃ：夹杂物
载荷变化的趋势，包含了疲劳裂纹萌生和扩展的机理。钛合金和高强钢超高周疲??劳的Ｓ－Ｎ曲线都发现了具有２个拐点的“阶梯状”或“双线形”的特征。??图１－３是利用旋转弯曲疲劳试验机测试的ＧＣｒｌ５超高周疲劳性能Ｓ－Ｎ曲线［２３】，??传统的Ｓ－Ｎ曲线通常表现为“单线形”，对应只有表面起源。而超高周疲劳Ｓ－Ｎ曲??线表现为“双线形”，对应表面起源和内部起源两种机制。表面起源与内部起源分别??对应各自的疲劳极限。当表面起源疲劳极限大于内部起源疲劳极限，材料Ｓ－Ｎ曲??线表现为“双线形”，当表面起源疲劳极限小于内部起源疲劳极限，材料Ｓ－Ｎ曲线??表现为“单线形”。??１２００＊?〇?ＲＢ１８０Ｓｕｒ．??＼?？?ＲＢ１８０?Ｉｎｔ．??〇?■?？??衮?８。〇［?￣?￣一￣°￣￣??ｍ?＇?＊＊?＊??６００－??１０４?１０ｓ?１０ｅ?１０＇?１０８?１０９??疲劳寿命??图１－３?ＧＣｒｌ５钢旋转弯曲疲劳实验Ｓ－Ｎ曲线［２３】??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓ－Ｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ＧＣｒ?１５?ｓｔｅｅｌ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｂｅｎｄｉｎｇ?ｆａｔｉｇｕｅ?ｔｅｓｔ［２３］??合金材料的超高周疲劳Ｓ－Ｎ曲线存在着典型特征。图１－４是合金材料超高周??疲劳典型的“双线形”Ｓ－Ｎ曲线，Ｓ－Ｎ曲线分为四个部分［２４，２５］，第一部分（Ｒａｎｇｅｌ，??Ｎｆ＜１０５ｃｙｃ），对应Ｓ－Ｎ曲线的第一条斜线，属于低周疲劳范围，裂纹萌生是由驻??留滑移带的挤入挤出导致的，裂纹通常萌生于试样表面，因此受环境因素影响较??大。第二部分（Ｒａｎｇｅｌｌ
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金材料超高周疲劳的机理与模型综述[J]. 洪友士,孙成奇,刘小龙. 力学进展. 2018(00)
[2]机车整体轮轮辋缺陷疲劳行为滚动台架试验研究[J]. 容长生,黄永巍,张澎湃,常崇义,张斌,张弘. 铁道技术监督. 2017(10)
[3]铁路机车车轮辋裂特征分析与对策研究[J]. 容长生. 中国铁路. 2017(01)
[4]TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究[J]. 马婧,赵子华,聂宝华,郑志腾,张峥. 机械工程学报. 2015(12)
[5]高强度钢超高周疲劳的研究进展[J]. 何柏林,魏康. 材料导报. 2015(07)
[6]简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响[J]. 丛韬,付秀琴,张斌,张弘,张关震,张澎湃. 铁道机车车辆. 2014(05)
[7]DZ125定向凝固高温合金长期时效后的显微组织和超高周疲劳行为[J]. 顾玉丽,滕旭东,刘昌奎,何玉怀,陶春虎. 航空学报. 2012(11)
[8]车轮踏面剥离机理研究[J]. 王文健,刘启跃. 机械. 2004(06)
[9]200km/h轻型客车车轮踏面剥离原因分析[J]. 崔银会,张斌. 轧钢. 2003(03)
[10]铁路车轮、轮箍踏面剥离的类型及形成机理[J]. 张斌,付秀琴. 中国铁道科学. 2001(02)
博士论文
[1]高速轮轨材料滚动摩擦损伤及白层形成机理研究[D]. 周琰.西南交通大学 2017
硕士论文
[1]擦伤对车轮材料磨损及滚动接触疲劳的影响研究[D]. 陈彦佐.西南交通大学 2018
[2]重载用铸钢轮生产工艺优化及夹杂物对辋裂的影响[D]. 刘彦磊.河南理工大学 2009
本文编号：3346044
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２高强钢超高周疲劳裂纹内部萌生至断裂全过程示意图［ｎ】：?Ｉｎｃ：夹杂物，ＦＧＡ：细颗粒??
??扫描电子显微镜（ＳＥＭ）图像（图１－ｌｃ）显示的ＦＧＡ是灰度相对小的亮区，因而也被称??为颗粒状亮面区（ｇｒａｎｕｌａｒ?ｂｒｉｇｈｔ?ｆａｃｅｔ，?ＧＢＦ）［２２］。图１－２示意表达高强钢超高周疲劳??裂纹萌生于夹杂物直至断裂的过程［１１］。裂纹萌生于试样内的夹杂物，裂纹萌生和??初始扩展呈现鱼眼（ＦｉＥ）特征，ＦｉＥ包含裂纹萌生区ＦＧＡ。ＦＧＡ断面相对粗糙，ＦＧＡ??外的ＦｉＥ区断面相对平整，ＦｉＥ区之外为裂纹快速扩展区，裂纹面粗糙度较大。??鱼眼??图１－１?ＧＣｒｌ５钢超高周疲劳裂纹起源于亚表面［２Ｇｌ（Ｇｍａｘ＝ｌ〇２４ＭＰａ，Ｎｆ＝３．５ｘｌ〇８）：?ａ）断口全??貌光镜图像，ｂ）鱼眼光镜图像，ｃ）?ＦＧＡ扫描电镜图像??Ｆｉｇ．?１－１?ＧＣｒｌ５?ｓｔｅｅｌ?ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ?ｃｙｃｌｅ?ｆａｔｉｇｕｅ?ｃｒａｃｋ?ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ［２０］?（ｏｍａｘ?＝?１０２４??ＭＰａ，?Ｎｆ?＝?３．５ｘ?１０８）：?ａ）?ｌｉｇｈｔ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｒａｃｔｕｒｅ，?ｂ）?ｆｉｓｈｅｙｅ?ｌｅｎｓ?ｉｍａｇｅ，?ｃ?）?ＦＧＡ?ＳＥＭ??ｉｍａｇｅ．??Ｉｎｃ?ＦＧＡ?ＦｉＥ?ＳＣＧ?ＦＣＧ??Ｉ?１ｓｔ?ＴＰ?｜?｜?２ｎｄ?ＴＰ?｜?｜?３ｒｄ?ＴＰ?｜??图１－２高强钢超高周疲劳裂纹内部萌生至断裂全过程示意图［ｎ】：?Ｉｎｃ：夹杂物
载荷变化的趋势，包含了疲劳裂纹萌生和扩展的机理。钛合金和高强钢超高周疲??劳的Ｓ－Ｎ曲线都发现了具有２个拐点的“阶梯状”或“双线形”的特征。??图１－３是利用旋转弯曲疲劳试验机测试的ＧＣｒｌ５超高周疲劳性能Ｓ－Ｎ曲线［２３】，??传统的Ｓ－Ｎ曲线通常表现为“单线形”，对应只有表面起源。而超高周疲劳Ｓ－Ｎ曲??线表现为“双线形”，对应表面起源和内部起源两种机制。表面起源与内部起源分别??对应各自的疲劳极限。当表面起源疲劳极限大于内部起源疲劳极限，材料Ｓ－Ｎ曲??线表现为“双线形”，当表面起源疲劳极限小于内部起源疲劳极限，材料Ｓ－Ｎ曲线??表现为“单线形”。??１２００＊?〇?ＲＢ１８０Ｓｕｒ．??＼?？?ＲＢ１８０?Ｉｎｔ．??〇?■?？??衮?８。〇［?￣?￣一￣°￣￣??ｍ?＇?＊＊?＊??６００－??１０４?１０ｓ?１０ｅ?１０＇?１０８?１０９??疲劳寿命??图１－３?ＧＣｒｌ５钢旋转弯曲疲劳实验Ｓ－Ｎ曲线［２３】??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓ－Ｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ＧＣｒ?１５?ｓｔｅｅｌ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｂｅｎｄｉｎｇ?ｆａｔｉｇｕｅ?ｔｅｓｔ［２３］??合金材料的超高周疲劳Ｓ－Ｎ曲线存在着典型特征。图１－４是合金材料超高周??疲劳典型的“双线形”Ｓ－Ｎ曲线，Ｓ－Ｎ曲线分为四个部分［２４，２５］，第一部分（Ｒａｎｇｅｌ，??Ｎｆ＜１０５ｃｙｃ），对应Ｓ－Ｎ曲线的第一条斜线，属于低周疲劳范围，裂纹萌生是由驻??留滑移带的挤入挤出导致的，裂纹通常萌生于试样表面，因此受环境因素影响较??大。第二部分（Ｒａｎｇｅｌｌ
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金材料超高周疲劳的机理与模型综述[J]. 洪友士,孙成奇,刘小龙. 力学进展. 2018(00)
[2]机车整体轮轮辋缺陷疲劳行为滚动台架试验研究[J]. 容长生,黄永巍,张澎湃,常崇义,张斌,张弘. 铁道技术监督. 2017(10)
[3]铁路机车车轮辋裂特征分析与对策研究[J]. 容长生. 中国铁路. 2017(01)
[4]TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究[J]. 马婧,赵子华,聂宝华,郑志腾,张峥. 机械工程学报. 2015(12)
[5]高强度钢超高周疲劳的研究进展[J]. 何柏林,魏康. 材料导报. 2015(07)
[6]简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响[J]. 丛韬,付秀琴,张斌,张弘,张关震,张澎湃. 铁道机车车辆. 2014(05)
[7]DZ125定向凝固高温合金长期时效后的显微组织和超高周疲劳行为[J]. 顾玉丽,滕旭东,刘昌奎,何玉怀,陶春虎. 航空学报. 2012(11)
[8]车轮踏面剥离机理研究[J]. 王文健,刘启跃. 机械. 2004(06)
[9]200km/h轻型客车车轮踏面剥离原因分析[J]. 崔银会,张斌. 轧钢. 2003(03)
[10]铁路车轮、轮箍踏面剥离的类型及形成机理[J]. 张斌,付秀琴. 中国铁道科学. 2001(02)
博士论文
[1]高速轮轨材料滚动摩擦损伤及白层形成机理研究[D]. 周琰.西南交通大学 2017
硕士论文
[1]擦伤对车轮材料磨损及滚动接触疲劳的影响研究[D]. 陈彦佐.西南交通大学 2018
[2]重载用铸钢轮生产工艺优化及夹杂物对辋裂的影响[D]. 刘彦磊.河南理工大学 2009
本文编号：3346044
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