斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究

文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估.计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化.     

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

高应力比循环下微动疲劳裂纹萌生位置的预测分析

对于微动疲劳问题,循环应力比的大小会影响试件应力状态及分布,从而影响疲劳裂纹的萌生位置.本文通过对一类微动疲劳问题进行有限元法分析,模拟疲劳实验过程,并采用最大应力变化幅△σθmax作为指标预测了不同应力比下疲劳裂纹的萌生位置.数值分析显示,在应力比不是很大时,试件与微动接触头的边缘存在接触,并在此处产生较大的应力集中,容易萌生裂纹;而在应力比足够高时,微动接触头端部与试件呈恒张开状态,△σθmax及裂纹萌生发生在距初始接触区边缘一定距离处.疲劳裂纹萌生位置的理论预测结果与相关试验的疲劳裂纹发生位置比较一致.     

干-水态下圆形硌伤对钢轨材料滚动接触疲劳特性影响

采用布氏硬度仪在钢轨试样表面制得不同尺寸的圆形硌伤,利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了未硌伤和硌伤钢轨的表面硬度、磨损量及滚动接触疲劳损伤特性.结果表明:与未硌伤钢轨相比,硌伤钢轨的表面硬度和磨损量都有所增加;随硌伤尺寸增加,钢轨磨损量与硬度随之增大.较小尺寸的硌伤坑(1.6 mm)有助于减轻硌伤处疲劳裂纹的产生,硌伤坑超过临界值(2.0 mm)则会加重硌伤区附近疲劳裂纹的萌生并导致支裂纹和垂向裂纹的出现.未硌伤钢轨疲劳裂纹以沿晶扩展为主,大尺寸硌伤钢轨试样的疲劳裂纹呈现穿晶扩展现象.     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展，航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展，亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述，提出未来的研究趋势与方向.具体地，首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理；其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型，再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型；进一步地，综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足；最后，基于当前的研究指出未来可能的发展方向，一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究，以改进现有的断裂力学模型；另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

各向异性对平板裂纹扩展路径的影响研究

近场动力学理论克服了经典连续介质力学在模拟裂纹扩展方面的不足。本文基于微梁键构建了一般各向异性近场动力学平面模型,并探讨了各向异性对于裂纹扩展路径的影响。首先,建立一般各向异性的微梁键,并基于插值法建立了一般各向异性近场动力学平面模型的应变能密度表达式;然后,利用应变能密度互等原理求解出近场动力学平面本构模型的一般各向异性参数;最后,通过带初始切口的平板断裂实验研究了不同各向异性参数对于平板裂纹扩展路径的影响。     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成，其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小，导致传统线弹性断裂力学预测方法失效，需要对其进行改进，考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析，通过对塑性区引起的残余应力的量化，结合小裂纹门槛值特性，提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型，用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验，并与理论结果进行了对比，验证了所提模型的有效性．     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该 形式下构件的寿命评估需求．针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连 接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接 件的疲劳寿命．结果表明：(1) 裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该 位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2) 基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT (Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于± 2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3) 在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距 孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预 紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大     

原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响

利用双盘滚动接触疲劳试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+PF)和回火索氏体(TS)的ER9车轮钢试样进行滚动接触疲劳试验,并对结果进行了分析。结果表明:在油润滑条件下,原始P+PF试样的滚动接触疲劳寿命是TS试样的2.8倍.?其原因是原始的P+PF的试样表面存在厚约1?μm的机加工细晶层,而TS试样无明显细晶层,在疲劳过程中,P+PF试样会优先在细晶层内萌生浅层裂纹并平行于表面扩展形成浅层剥落,而后在细晶层剥落的区域萌生疲劳裂纹,而TS试样则直接在试样表面萌生疲劳裂纹.?经过1×105周次在空气中的预磨损后,两种不同原始组织的试样表面均被强化,滚动接触疲劳寿命均有大幅度的提升.?但由于P+PF试样预磨损过程中机加工细晶层的剥落以及产生了少量的疲劳磨损,部分疲劳磨损裂纹成为滚动接触疲劳裂纹的裂纹源,而预磨损后的TS试样的表层形成分布更为均匀的细晶层,故预磨损后的TS试样的滚动接触疲劳寿命远高于P+PF试样.      

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

低温环境下列车车轮材料磨损与损伤演变行为研究

利用低温环境装置和轮轨模拟试验机开展了室温(约20 ℃)与?40 ℃温度下列车车轮材料的滚动磨损试验,研究了?40 ℃下车轮材料磨损和表面与剖面损伤随循环次数的演变规律. 结果表明:温度的降低对车轮材料磨损和损伤机制有明显影响. 与室温相比,?40 ℃时车轮材料疲劳磨损明显减轻,磨损率下降. ?40 ℃工况下车轮材料磨损与损伤的形成具有明显演变特征. 在磨损初期,轮轨界面发生材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜;摩擦膜的存在降低了车轮材料磨损率. 随循环次数增加,由于低磨损率,车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形. 在磨损后期,累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生. 因此在车轮试样亚表层萌生大量裂纹,亚表层裂纹相互汇合,从而加速疲劳裂纹扩展.      

冲角工况下列车车轮损伤机理研究

曲线通过和蛇行运动时将会在轮轨间产生一定的冲角,为探究列车车轮在冲角工况下的损伤机理,利用JD-1轮轨模拟试验机对列车车轮进行滚动接触疲劳试验.结果表明:在冲角工况下车轮试件磨痕的不同区域存在不同的损伤机理,按损伤机理的不同可以将其分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区三个区域.在应力发生剧烈变化且应力方向由高应力区指向低应力区的区域将会出现材料的塑性堆积,并且在堆积处产生疲劳裂纹.滚动接触下的疲劳裂纹可以萌生于表面和亚表面,在较强应力作用下,车轮材料的晶粒发生了明显的细化,在横截面上呈现出纤维状组织.     

高速与重载铁路的疲劳磨损对比研究

滚动接触疲劳和磨损是铁路钢轨损伤的主要问题.研究根据赫兹接触理论在JD-1型轮轨模拟试验机上通过改变车速和轴重来模拟高速和重载铁路的滚动接触,并用光镜和扫描电镜研究磨损表面,分析高速和重载条件下钢轨的磨损与疲劳机理.结果表明:随车速增加,钢轨磨损量减小,但出现大量斜裂纹,接触疲劳加剧.而随着轴重增加,塑性变形明显,磨损量迅速增加,但由于部分刚萌生的微裂纹被磨去,疲劳损伤较为轻微.     

45CrNiMoVA钢的低周疲劳特性和表面疲劳裂纹的在位观测

利用MTS810材料试验机对带中心圆孔的45CrNiMoVA钢低周疲劳特性进行了研究,并借助长焦显微镜和CCD摄像头对试样表面裂纹的演化规律进行了在位停机观测和在位不停机连续观测尝试,试验发现,裂纹均萌生于与拉伸应力垂直的圆孔边缘;疲劳裂纹的萌生与Lueders形变带密切相关,萌生期超过整个疲劳寿命的70%,主裂纹的发展既可以共面扩展的方式向前连续延伸,也可以裂纹连接的方式向前跳跃传播,应力控制的低周疲劳条件下,疲劳寿命与应力面形貌图像,频闪光源照明可以实现表面疲劳裂纹的在位不停机观测。     

钢轨表面剥离掉块路径预测研究

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确.为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的扩展路径进行预测.结果表明,钢轨表面微裂纹为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,随着裂纹长度增加,KⅠ先增加后减小,...     

CrMoV合金钢的微动疲劳实验研究

本文利用一种自行设计的微动疲劳实验装置研究CrMoV合金钢的微动疲劳特性。作者研究了接触压力对材料微动疲劳寿命的影响规律,得到了研究条件下CrMoV合金钢的接触压力阈值。当接触压力较小时,微动桥压块与试件表面间有相对滑动,微动疲劳寿命随接触压力的增加快速下降;当接触压力达到或超过阈值62.5MPa时,微动疲劳寿命达到最低值并不再随接触压力的增加而下降。本文给出了CrMoV合金钢在接触压力为225MPa的微动疲劳曲线和零接触压力(纯)疲劳曲线,并给出微动疲劳强度与常规疲劳强度的关系,分析了微动疲劳破坏的微观机理。     

Life prediction of thermally cracked railway wheels: Growth estimation of cracks with arbitrary shape

A computer program for railway wheel life prediction has been developed incorporating an elastoplastic calculation of both the residual stress field induced by shoe-braking and the superposed alternating rolling contact stresses. The possibilities of unstable propagation of surface cracks, crack arrest, fatigue propagation through a complex stress field and crack detention on reaching the threshold value have been accounted for. An approximate method for crack growth prediction is used providing bounds for instantaneous crack front position and estimations of crack shape within short computing times. Some examples of application for an UIC R7 wheel are presented.