服役U71Mn钢轨疲劳裂纹萌生及扩展分析

采用HV-1000型显微维氏硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等手段,研究了服役后U71Mn钢轨表层力学性能、轨距角处的显微组织以及裂纹萌生和扩展机理.结果表明:钢轨表层轨距角处的硬化程度最严重,并且该区域沿列车运行方向呈现出较为严重的剪切塑性变形,裂纹容易在该处萌生.钢轨轨距角处的裂纹萌生受到表层切应力分布状态、表面摩擦因数以及表层夹杂物等的综合影响,钢轨表层受到循环应力的反复作用,在加工硬化的作用下材料局部发生硬化,塑韧性降低,另外钢轨表层有大量长条状的MnS夹杂物,这些因素都极大地促进了疲劳裂纹的萌生.轨距角处的裂纹沿着钢轨表层剪切塑性变形的方向扩展,主要方式是穿晶扩展,裂纹间隙中较多的氧化物对裂纹扩展有较大的促进作用.     

基于近场动力学的裂纹扩展及轨面剥离掉块成因机理

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5 mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随着通过总重累积和裂纹长度的增加逐渐降低;轨面多裂纹情况下,通过总重增量低于8.8 Mt时,裂纹在荷载作用下主要发生沿长度方向扩展。通过总重增量超过8.8 Mt后,裂纹之间的次生损伤形成;而且,这种情况在轨面多条裂纹间距≤1.5 mm时较为显著,裂纹间距>1.5 mm时,裂纹间的相互影响减小;轨面多条裂纹同时存在且裂纹间距≤1.5 mm时,通过总重增量达到一定程度（>10.0 Mt）,裂纹间的次生损伤形成剥离掉块,剥离掉块深度约为裂纹深度的1/2以上。     

摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

考虑轨道几何不平顺的钢轨裂纹萌生与磨耗共存预测

在钢轨裂纹萌生和磨耗发展共存预测方法的基础上,考虑了轨道几何不平顺对轮轨接触位置分布、磨耗和疲劳损伤的影响,引入轮轨接触点在钢轨上的分布概率,分散了钢轨的磨耗和疲劳累积.分析结果表明:考虑轨道几何不平顺的情况下,轮轨接触点的分布范围和概率随着磨耗和型面变化而变化,钢轨表面磨耗和内部疲劳损伤分布范围均加宽,而损伤速率降低.预测得到800 m曲线半径外轨在裂纹萌生前的平均磨耗发展率为3.813 1μm·万次~(-1),相较未考虑不平顺的结果降低了15.92%.裂纹萌生寿命预测结果为318 292次,相较未考虑不平顺的预测结果增大了14.66%.裂纹萌生点的位置比未考虑不平顺时略远离钢轨中心.     

滚动接触作用下钢轨表面裂纹扩展机理分析

为了分析车轮纯滚动接触作用下的钢轨表面裂纹扩展机制,建立含表面裂纹的轮轨滚动接触疲劳计算模型,获得15t轴重作用下钢轨表面裂纹长度由0.1mm扩展到2.0mm全过程的裂纹尖端应力强度因子变化规律.基于复合型断裂准则和Paris疲劳扩展理论,分析钢轨表面裂纹扩展规律.分析结果表明:在微裂纹扩展至可见裂纹阶段,钢轨表面疲劳裂纹属于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹;随着裂纹长度增加,应力强度因子K_Ⅰ先迅速增加,然后逐渐减小,而KⅡ在裂纹扩展全过程中呈增加趋势;裂纹萌生与扩展初期以张开型为主,随着裂纹长度增加,其扩展形式向滑开型转变;当裂纹扩展至0.3~0.5mm间时,倾向于向上扩展导致剥离掉块,该扩展趋势与现场服役钢轨剥离路径较为一致.     

普速铁路直线钢轨轨距角接触问题分析及治理

基于现场观测和相关动力学仿真分析结果对普速铁路直线钢轨轨距角接触问题进行了分析.基于个性化钢轨廓形打磨技术提出了解决方案,并对实施效果进行了跟踪观测.结果表明,左右车轮非对称磨耗引起的横移量和受力状态、钢轨廓形内侧偏低导致的自对中能力不足分别是车轮和钢轨廓形角度易导致轨距角接触的主要原因.由于普速铁路货车车轮状态不尽理想,因此通过钢轨廓形打磨只能减小接触的概率,较难完全根除.将钢轨廓形与实测车轮的接触位置分布情况预测作为钢轨打磨目标廓形设计结果校核条件之一时可有效优化轮轨接触位置,进而缓解轨距角接触问题.     

钢轨疲劳裂纹萌生与磨耗发展共存预测中的 磨耗阈值

提出了等磨耗深度与等车轮通过次数两种不同的磨耗阈值确定方法,分析了磨耗阈值对钢轨型面、磨耗发展率、疲劳损伤、裂纹萌生位置和寿命等预测的影响。结果表明:不同的磨耗阈值下,三次插值样条曲线平滑处理磨耗型面时引起的误差可以忽略;磨耗阈值对平均磨耗发展率影响不大,但对疲劳损伤及其发展影响明显;磨耗阈值较小时,如磨耗深度h≤0.04 mm或车轮通过次数t≤3.0×104,预测的裂纹萌生位置、裂纹萌生寿命基本接近,计算效率略低;磨耗阈值较大时,相比阈值较小的结果,裂纹萌生位置有小于5.0%的偏差,裂纹萌生寿命最大有13.5%的偏差,计算效率提高50%～60%。     

3Cr_2W_8V钢的热疲劳及其热疲劳硬化和软化

用扫描电镜及显微硬度计分别对热疲劳试样的热疲劳裂纹的萌生及扩展进行精心观察，及裂纹尖端前沿显微硬度分布进行细致的测量，在试验基础上提出了热疲劳裂纹的萌生、扩展以及裂纹尖端前沿热疲劳硬化、软化的机理．     

钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法验证

采用小比例轮轮滚动接触疲劳试验再现钢轨裂纹萌生和磨耗过程，根据钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法结合试验条件建立相应的预测模型，分别对试验和仿真预测的钢轨试样磨耗、裂纹萌生寿命和启裂角度等进行比对，从而验证钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法。研究发现：当试样萌生裂纹时，有53.8%的试样经历了2个磨耗阶段，平均磨耗发展率约为5.83 μm·10^-4次^-1；预测的试样在萌生裂纹前经历了2次磨耗阶段，平均磨耗发展率约为5.18 μm·10^-4次^-1，较试验结果低约11.1 %；试验中试样裂纹萌生寿命在6×10⁴ ~ 14×10⁴次范围内，且裂纹长度在荷载循环次数在11×10⁴ ~ 12×10⁴次时达到极大值，预测的裂纹萌生寿命为11.1×10⁴次，基本与试验结果中裂纹萌生时出现极大值的试样所对应的荷载作用次数接近。试验观测到试样表面裂纹开口与滚动方向的角度平均值约为45°；仿真预测的裂纹开口与滚动方向的角度平均值基本与观测到的裂纹开口与滚动方向的角度一致。     

热轧和热处理U75V钢单轴棘轮-疲劳交互作用实验研究

钢轨服役过程中,由循环滚动载荷诱发的棘轮效应是其疲劳失效的主要原因之一。针对现役的热轧和热处理U75V钢开展单调拉伸、应变和应力控制疲劳实验,揭示热处理工艺对材料基本力学性能、循环特性和棘轮行为的影响,进而讨论棘轮效应与疲劳失效行为之间的交互作用。实验结果表明:热处理U75V钢的屈服强度和抗拉强度较热轧态有显著提升,二者均表现出循环软化特性。在相同载荷水平下热处理U75V钢抗棘轮变形能力和疲劳性能明显优于热轧态,当应力幅与屈服应力之比恒定时,相同平均应力下热轧U75V钢棘轮效应更显著。加载的平均应力和应力幅对U75V钢疲劳寿命的影响存在竞争作用,较强的棘轮行为使两种U75V钢疲劳寿命均降低。     

铝热焊钢轨表面裂纹扩展深度的跟踪测量

应用自行研制的ＳＪＤ－５２型交流电位法裂纹测深仪，对５０ｋｇ／ｍ级钢轨铝热焊接头在变载荷疲劳条件下的表面裂纹扩展深度进行了跟踪测量。疲劳载荷是经现场测定后作计算机模拟的。由记录曲线以及对测定数据作简单的单试样法线性近似处理的结果表明，试验是成功的。本文的测试方法也可用于实际构件疲劳试验。     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

TA6V钛合金疲劳小裂纹扩展行为研究

根据航空标准HB7705—2001《金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法》,采用复型法对TA6V钛合金SENT试样进行疲劳小裂纹试验,分析TA6V钛合金在应力比R=-1和R=0时不同应力水平下的疲劳小裂纹扩展规律;通过扫描电镜观察小裂纹在显微组织中的扩展路径和扩展方式,研究小裂纹顶端和晶界的交互作用,对疲劳小裂纹扩展的奇异性进行解释,从而对TA6V钛合金在我国的使用提供参考。     

轨钢磨损行为的试验

在实验室条件下用圆盘试样模拟了钢轨的接触条件。研究了滑差和接触应力对珠光体轨钢磨损行为的影响。通过滚磨表面下扫描电镜观察及测试,分析了磨损过程中的磨损形式及其相互作用机理。结果表明,磨损速率随滑差而增大,滑差增至4％时,达到极限摩擦系数。磨损量与滑动摩擦功呈线性关系,与滑动距离成正比。干磨条件下,表层组织发生强烈的塑性形变,使组织沿平行于表面层状分布。粘附磨损和疲劳磨损是轨钢的主要磨损形式。     

冷却方式对HMn59-2-1-0.5合金组织 与耐磨性的影响

研究了不同冷却方式对HMn59-2-1-0.5合金的组织、硬度及耐磨性的影响。结果表明HMn59-2-1-0.5合金具有较高的热稳定性,经720℃加热保温200℃炉内恒温冷却1.5～2.5h处理后能达到α相≤5%及HB168±8的组织和硬度要求,耐磨性好于进口材料,完全可以满足轿车同步器用齿环性能要求。     

力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律

研究了硬对软（ＣＳ）、软对硬（ＣＨ）和软硬中（ＳＨＭ）三种典型的力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律．结果表明：力学性能非对称性对焊接接头的疲劳裂纹扩展规律有很大影响．起始裂纹在软区的硬对软力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近硬区，疲劳裂纹扩展速率越快；起始裂纹在硬区的软对硬力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近软区，疲劳裂纹扩展速率越慢；起始裂纹在硬区的软硬中力学性能非对称焊接接头，硬夹层宽度越窄，疲劳裂纹扩展速率越慢．     

轨道参数对曲线钢轨磨损的影响

本文通过理论计算和现场试验,论述了曲线轨距,外轨超高,轨底坡及曲线圆顺度等轨道参数对曲线钢轨磨损的影响.提出了减少曲线轨距、增大曲线钢轨轨底坡等技术措施,以减缓曲线钢轨的严重磨损.