钢轨残余应力试验与分析

钢轨残余应力是由于钢轨在轧制、焊接、淬火及运营过程中受外力,温度等作用而造成的内部固有应力。它影响钢轨的使用寿命。我们对我国铁路上大量使用的各种钢轨(包括新的50、60公斤普通标准轨、焊接轨、淬火轨以及在线路上使用一段时间以后的旧轨),做了钢轨表面及内部的纵向残余应力测定。本文总结了试验结果,并对各种钢轨的残余应力初步地进行了理论分析;在指出钢轨残余应力与疲劳断裂关系的同时,从残余应力角度分析了钢轨疲劳核伤的形成;从调整钢轨残余应力分布、减少残余拉应力,延长钢轨使用寿命的角度,对钢轨焊接、淬火工艺提出了一些改进意见。本项科研试验工作是在北京铁路局焊轨队及上海铁路局工务工厂的大力协作和支持下完成的。     

磁弹性方法无损测试钢轨残余应力分布的实验研究

磁弹性法测量残余应力是一种新型的无损检测方法,利用磁弹性方法测定了U71Mn60 kg/m钢轨的磁声特性,并以此为基础对钢轨矫直残余应力进行了现场实测,得到了钢轨的残余应力分布情况,为钢轨残余应力测试提供了一种可行的检测技术.     

装配/残余应力对聚碳酸酯刮擦行为影响的数值研究

聚碳酸酯材料在制备、运输和服役的过程中,不可避免会受到表面刮擦的作用,同时,制造和使用过程中产生的残余应力和装配应力通常会对材料的使用性能产生影响.因此,有必要研究装配应力和残余应力对聚碳酸酯材料表面刮擦行为的影响.将残余刮擦深度、沟槽肩高和刮擦切向力作为聚碳酸酯材料刮擦性能的表征指标,采用有限元数值模拟的方法,系统地研究了不同水平的装配应力和残余应力对聚碳酸酯材料刮擦行为的影响.结果表明,压应力可降低聚碳酸酯表面的残余刮擦深度、沟槽肩高和刮擦切向力.研究表明,可以通过在聚碳酸酯材料表面引入装配/残余压应力来提高其耐刮擦性能.     

注射成型残余应力的数值模拟

对注射成型过程中的残余应力进行了研究.针对注射成型的特点,采用线性粘弹性模型计算了注射成型过程中温度和压力引起的残余应力,充分考虑了保压压力和应力松弛对残余应力的影响,数值实现中采用了在时间上有限差分的计算方法.通过模拟计算平板形状制品残余应力在壁厚方向和流动方向上的分布及其在成型中的变化过程,深入讨论了注射成型过程中残余应力的形成机理和演变情况.实验证明了所提出的残余应力模型和计算方法的正确性与合理性.通过预测和优化注射成型中的残余应力,可以提高制品最终形状的尺寸稳定性和力学性能,对实际生产有一定的指导意义.     

基于有限元模拟探究超载对钢轨磨耗的影响

随着高速铁路和重载运输的快速发展,对钢轨损伤现象尤其对钢轨表面接触磨耗的研究变得愈发重要.通过有限元软件ANSYS建立了轮轨接触的二维计算模型,施加载荷工况:改变轮重为10t—15t—10t;采用Chaboche随动强化模型,并通过剪切塑性应变累积及残余应力等力学参量来分析超载对钢轨磨耗的影响,为已有铁路线路的改造以及新线路的设计提供参考.     

激光冲击强化对Ti2AlNb合金微观组织及残余应力的影响

Ti2AlNb(O-Ti2AlNb)具有优异的力学性能,在航空发动机方面有远大应用前景.激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种先进的表面改性技术,能够在材料表面诱导产生高幅值、大深度的残余压应力,改善材料微观组织,提高材料抗疲劳、高温氧化等性能.本文采用激光冲击强化对Ti2AlNb合金进行表面改性,并研究其组织演变、残余应力以及高温环境对性能的影响.结果表明:激光冲击强化能够显著减小Ti2AlNb合金近表面的晶粒尺寸.显微硬度由冲击前的350 HV提升到395 HV;在冲击区域近表面产生了约-377 MPa的残余压应力;而在高温环境中,由激光冲击强化所诱导的材料近表面残余应力随时间逐渐释放,在600℃条件下,残余应力释放较为缓慢;而在720℃条件下,残余应力迅速释放.     

H型钢矫直过程残余应力演变机制研究

为在矫直过程中对H型钢的残余应力实施有效地主动控制,对H型钢矫直过程中残余应力演变过程的力学机制进行研究。首先运用弹塑性基本理论对具有初始残余应力的H型钢截面弹塑性反弯过程进行解析分析,论证初始残余应力对截面弹塑性反弯过程的影响方式,证明初始残余应力导致截面弯曲中性轴位移的非对称弯曲状态。在此基础上,利用差分方法建立H型钢矫直过程多次连续弹塑性反弯的数值解法,进而详细研究H型钢矫直过程中残余应力的演变机制。结果表明:截面翼缘与腹板整体拉压应力水平的消减主要依赖矫直前期的非对称弹塑性弯曲过程,而矫直后期的对称弯曲过程则进一步改善H型钢翼缘的残余应力状态;矫直过程前期与后期不同的弹塑性弯曲性质造成了其在矫直过程中对于残余应力演变的不同影响作用。     

MIG焊6063/7075铝合金接头的金相组织、耐蚀性和力学性能研究

异种铝合金焊接产生的材料优良特性的联合对于零部件服役性能的提升至关重要,但材料成分和物化性能的不同导致的冶金问题增加了异种材料连接的难度。研究了6063/7075铝合金熔化极惰性气体保护(MIG)焊工艺与接头综合性能的关系。结果表明,与单面焊相比,双面焊接头金相组织更加均匀,晶粒细化,力学性能基本相当。双面焊接工艺沿焊缝方向的平均峰值残余应力、纵向残余应力和横向残余应力较低。双面焊焊缝具有最低的腐蚀电流密度和最正的腐蚀电位,具有更好的耐蚀性。双面焊接工艺改善了焊缝的耐蚀性。     

钢轨寿命的估算—论钢轨的疲劳裂纹扩展

本文提出的寿命估算法以线弹性断裂力学为基础。首先分析了影响钢轨疲劳裂纹扩展的各种因素,然后用等效应力强度因子的方法,根据 Paris公式和国内外的试验数据,试算了各种缺陷类型钢轨的寿命,其结果与实际大体一致。本文最后指出,钢轨螺栓孔的加工和踏面以下5毫米内的残余应力和材质对钢轨的寿命影响极大,为了有效地提高钢轨的寿命,对这些部位的材质和加工工艺必须予以特别注意。     

热处理对增材制造AlSi10Mg合金组织性能及残余应力的影响

 增材制造AlSi10Mg合金通常存在较大的残余应力,对材料的服役使用产生不利影响,故需要采用热处理对残余应力予以控制甚至消除。利用X射线衍射、光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、背散射电子衍射、维氏硬度和拉曼光谱试验,研究了成形态和退火态合金的显微组织、性能及残余应力。结果表明,成形态合金由过饱和Al固溶体和Si相组成,其中, Si相以网状共晶硅和弥散分布的纳米硅颗粒2种形态存在。同时,成形态合金的晶粒细小,其晶粒尺寸分布的d₅₀值约为10.4 μm。250~300℃退火使合金元素从过饱和Al固溶体中析出,形成平衡相Mg₂Si和Si相;且随着退火温度升高,合金元素析出越彻底。此外,退火还引起网状共晶硅和纳米硅颗粒粗化,促使晶粒长大并诱发再结晶。由于退火后合金中的细晶强化、固溶强化和弥散强化效果减弱,故合金的维氏硬度下降。然而,退火可以显著降低合金的残余应力,下降幅度达到60%~80%。因此,为更好地实现组织和性能调控,有必要针对增材制造铝合金的特点开发新的热处理制度。     

高速列车钢轨硌伤致损机理有限元分析

钢轨长时间暴露在自然环境中,经常受到硬物撞击,表面出现不同形状的硌伤,在局部区域出现应力集中,影响钢轨应力分布,严重时引发轮轨滚动接触疲劳,威胁铁路的行车安全。利用有限元软件ABAQUS建立含不同尺寸初始硌伤形状的钢轨模型,研究硌伤对钢轨残余应力、塑性应变累积和裂纹扩展的影响。结果表明,硌伤坑边缘隆起,出现拉应力状态,残余应力呈环形分布,最大等效塑性应变总是出现在硌伤坑底部;循环载荷作用下,塑性应变累积的速率较小,沿加载方向的硌伤坑形貌明显变宽;在不同初始裂纹方向下,轨头的裂纹扩展可分为沿坑壁横向扩展、沿深度纵向扩展、横向和纵向混合扩展3类;对于圆锥形、球形、楔形硌伤,60°初始裂纹扩展速率最快; 3种硌伤形貌中,圆锥形硌伤最危险。     

残余应力对电站金属构件安全稳定运行的影响

通过在实际检验工作中发现的几起因残余应力而造成对电站金属构件安全使用的影响问题的例子,简述了残余应力的危害及其具有不确定性、隐蔽性、滞后性及因固有缺陷、运行环境和介质对部件产生失效的诱发及加速性的特点,目的在于提醒各基层检验单位及设备使用单位对金属构件制造和安装中产生的残余应力的重视,并采用各种手段尽量减少残余应力的产生和加强对残余应力检验检测手段。     

X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应

以试验测得的X80钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明：曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。     

用磁声发射原理测量钢轨残余应力

根据磁声发射（ＭＡＥ）原理并利用自制的磁化器对退火钢轨进行了室内应力标定，得到用面积法处理的应力与ＭＡＥ强度标定曲线，又据此测量了Ｕ７４６０ｋｇ／ｍ新轨的残余应力，取得较满意的结果     

基于全周期分段步加的极小子样加速实验方法

针对滚动功能部件在其使用过程中的磨损失效等将直接影响其服役性能的问题,为方便高效地获得滚动功能部件不同时间历程下的在线监测和离线状态数据,提出了一种基于全周期分段步加策略的极小子样滚动功能部件加速实验方法.将滚动功能部件沿轴线方向分成n+1个子段,从子段1开始在加载力Fi作用下以速度vi自子段i至子段n往复跑合zi次,建立了各分段的等效加载力、等效跑合速度、第i个子段单位长度上正常应力水平下总的服役时间Ti的计算模型,并搭建了滚动功能部件服役性能加速实验台.该加速实验方法可应用于细长轴类零件的服役性能和失效演变机理分析及其寿命和可靠性的预测评估.     

塑料粘结炸药残余应力测试方法研究

本文介绍了残余应力产生的原因及其对材料性能的影响,以及塑料粘结炸药药柱内应力的产生与预防;分析了目前在这领域最有应用前景的三种残余应力无损检测方法与技术;介绍了塑料粘结炸药残余应力测试的最新研究进展.     

基于MEMS技术的薄膜残余应力检测技术

薄膜材料在制备中都会产生一定的残余应力,而薄膜中残余应力的大小对整个微机电系统的性能和可靠性具有很大的影响.讨论了几种典型的残余应力检测方法,并分析了各自的特点.在此基础上,提出了一种整合微指针结构驱动器和测量探针的新型残余应力测试方法.其核心是设计出一种基于扫描探针的薄膜残余应力在线检测系统.     

梁柱刚接节点盖板加固的焊接残余应力分析

为研究残余应力对梁柱节点加固后性能的影响,通过选择焊接参数,进行三维的热一结构耦合计算,模拟了盖板加固梁柱刚接节点中盖板与柱翼缘之间的对接焊缝的焊接过程,初步讨论了焊接残余应力对加固节点受力性能的影响.计算得到了焊接温度场以及残余应力的分布,以及焊接残余应力对RI指数的影响.分析表明,焊接残余应力对节点的整体受力性能影响很小,但是焊接残余应力的存在会极大的增加焊接热影响区发生脆性断裂的可能性.     

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.     

管道环焊缝应力消减与评价方法

焊接完成后环焊缝区域产生残余应力,导致管道有效承载能力和安全裕度降低,选择有效的应力消减措施和评价手段对确保焊接管段服役安全有重要工程价值。将超声冲击应力消减技术和矫顽力法应力评价技术在带有环焊缝的X80焊接管段进行应用,对比焊缝区域消减前后显微组织、残余应力、力学性能变化。结果表明：消减前焊趾熔合线处显微组织为层带状分布,消减后晶粒变小,转变为交织分布,晶粒分布更加均匀;焊缝中心矫顽力普遍减小,残余应力由拉应力消减后转变为压应力,应力集中程度降低;力学性能尤其是冲击韧性提高了13%～21%,拉伸力学性能变化较小;经过超声冲击的服役管道环焊缝处应力水平显著降低;超声冲击和矫顽力法是油气管道环焊缝焊后应力消减及评价的有效手段。