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5.83μm·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5.18μm·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...     

残余应力对接触疲劳裂纹萌生寿命的影响

采用光学显微镜跟踪测量法研究了支承辊钢滚动接触疲劳垂直短裂纹的形成和不扩展特性。结果表明:这种短裂纹生成很快、初始扩展速率非常高,但很快就停止扩展;经过大约表面损伤寿命的70%~80%周次循环后,一部分短裂纹又转向沿圆周方向且平行于表面扩展,并具有长裂纹扩展特征。利用垂直短裂纹的这种不扩展特性及其可跟踪性,将其转向扩展作为区分长短裂纹分界点判据。根据这种判据,实验测得残余拉压应力下的寿命比为0.5~0.54,与理论计算的残余拉压应力下的寿命比0.333~0.375相差较大。     

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%。     

轮对蠕滑条件下钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测

采用多体动力学与三维弹性体非赫兹滚动接触理论,得到不同轨底坡、超高、摩擦系数与曲线半径等多种轨道条件下的轮轨蠕滑状态,将接触力分别施加于钢轨有限元模型的接触斑位置,分析轨头应力应变响应,得到所有节点的疲劳参量.研究疲劳参量的组成类型,若剪应力与应变部分占主要组成部分,则采用剪切型裂纹萌生预测公式,否则采用拉伸型预测公式.分别预测导向轮与非导向轮作用下的曲线外轨疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,外轨疲劳裂纹主要由导向轮作用产生,非导向轮对其影响很小;裂纹萌生寿命随曲线半径的增大而延长,随摩擦系数的增大而减小;设置1∶20轨底坡可以延缓外轨疲劳裂纹萌生,尤其是在半径较小的曲线上效果更明显;过超高能延缓曲线外轨疲劳裂纹萌生;当摩擦系数大于0.3时裂纹萌生于曲线外轨表面,而小于0.3时裂纹萌生位置则逐渐向轨头内部转移.     

中碳贝氏体钢滚动接触疲劳的裂纹萌生

为了优化中碳贝氏体钢支承辊的磨削换辊工艺,研究了其接触疲劳时的裂纹萌生和扩展。在JPM-1B型接触疲劳试验机上测定了水润滑条件下的接触疲劳失效寿命曲线,并以裂纹沿平行表面方向扩展为判断标准,通过解剖试样的方法测定了裂纹萌生寿命曲线。结果显示两条曲线均在最大接触应力为0.86GPa处发生弯折,裂纹萌生寿命约为失效寿命的70%～80%。在扫描电镜下对试样观察发现:当接触应力较低时垂直裂纹占主导地位,而接触应力较高时棘齿裂纹占主导地位。这两种裂纹都具有一般短裂纹的特点。     

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.     

液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹的作用

建立基于耦合欧拉?拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用.结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对裂纹面的压力是低黏度液体压力的4.8～5.9倍,且越靠近裂纹尖端的压力越大,算例工况下脂类对裂纹尖...     

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.     

P60钢轨鱼鳞伤萌生寿命

上海轨道交通1号线锦江乐园至莘庄路段P60钢轨使用至今已出现不同程度伤损。曲线路段的部分钢轨外轨内侧出现鱼鳞伤，严重的鱼鳞伤甚至向下发展导致核伤。鱼鳞伤在疲劳裂纹的初期发展缓慢，随着疲劳荷载次数增加，裂纹深度扩展速率dh/dN发生转折。定义裂纹深度扩展速率发生转折时对应的疲劳荷载的次数为鱼鳞伤萌生寿命。     

中碳钢疲劳短裂纹萌生与扩展特性

试验研究了不同热处理状态的３５＃钢试样表面疲劳短裂萌生与扩展特性。结果表明：微结构尺寸及其分布特性对短裂纹萌生与扩展行为有较大影响；短裂纹萌生与扩展寿命可用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布定量描述。     

轴承钢中夹杂物与接触疲劳裂纹萌生的关系

通过在国产JPM—1型接触疲劳试验机上对国产GCr15、瑞典SKF及美国SAE52100三种类似的轴承钢进行的接触疲劳试验,观察到许多接触疲劳微裂纹及引起裂纹萌生的夹杂物。利用金相显微镜、扫描电镜观察并测量萌生裂纹的夹杂物形状、尺寸、位置,并用图相分析仪测定出夹杂物尺寸分布,从而找出轴承钢中夹杂物与接触疲劳裂纹萌生之间的定量关系,为提高轴承钢冶金质量,完善夹杂物评级标准提供科学依据。     

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.     

考虑材料塑性变形的高速道岔心轨裂纹萌生预测

根据高速铁路18号单开道岔钢轨设计廓形,考虑车轮逆向-侧向通过翼轨?心轨时轮载转移引起的冲击荷载和材料塑性变形,将心轨塑性变形结合到裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法中,预测了心轨裂纹萌生。分析发现,心轨顶宽35~40 mm为承受轮载转移的最不利位置;该位置的表面材料在冲击荷载下发生塑性变形,其应力应变明显降低,直至在一定轮载次数下达到稳定状态,这时的最大塑性变形量为0.087 5~0.092 5 mm,延缓了疲劳裂纹的萌生;心轨疲劳损伤最大值位于轨头亚表面,顶宽35和40 mm处的裂纹萌生区域分别在心轨表面垂直向下1.2和1.5 mm、从轨顶中心水平向工作边一侧4~5 mm和1~2 mm的位置。疲劳裂纹萌生寿命分别为1.63×10⁶ t和3.97×10⁶ t。     

CrNiMo钢缺口根部疲劳裂纹萌生的研究

本文采用单边缺口板状试样研究了四种含碳量的CrNiMo钢缺口根部的疲劳裂纹萌生寿命及其萌生机制。裂纹萌生可能有四种方式—沿驻留滑移带压入挤出、微孔聚集型切变、准解理和沿晶机制。文中论述了钢的含碳量、热处理规范及外加应力水平对裂纹形核机制的影响。研究表明:在双对数坐标中,表观循环应力范围和萌生寿命的关系可用两段不同斜率的直线来描述,两段萌生线的分界点随钢的强度水平提高而迅速向低周次范围推移,但两段的裂纹萌生均仍属于应力疲劳范畴。文中分析了微观塑性变形对缺口根部实际循环应力范围和应力循环比的影响,给出了对它们进行修正估算的方法。修正后的实际循环应力范围和萌生寿命的关系可用一条直线反映出来。在此基础上,提出了一种用光滑试样应力疲劳曲线估算缺口根部裂纹萌生寿命的新方法。     

弯曲疲劳裂纹萌生过程的细观实验与分析

基于细观实验,对夹杂物附近疲劳裂纹萌生的形式,方向和过程等进行了分析,结果表明：夹杂物与基体弹塑性,热性上的差异导致不同萌生形式;表面层应变状态与表面法向间的取向决定萌生方向和扩展平面,萌生过程以小裂纹汇合方式进行。     

喷丸对渗碳件接触疲劳及裂纹萌生扩展的影响

通过一系列试验表明,渗碳后喷丸可使接触疲劳强度提高,在低接触应力下接触疲劳寿命明显增加。对接触疲劳裂纹萌生。扩展至失效全过程所进行的连续追踪观测发现,裂纹萌生于渗碳过渡区;渗碳喷丸后比未喷丸的裂纹萌生寿命增加,扩展速率减小;由钢丸坑连接而成的浅小裂纹为非扩展裂纹;在喷丸影响区,裂纹扩展不同于未喷丸试件,即主裂纹平行于表面扩展;分叉裂纹发生再次分叉向下扩展,从而使裂纹扩展后期速率减小。