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.     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

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.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.     

不均匀裂纹体疲劳裂纹扩展的实验研究和分析

本文提出了裂纹在硬区的软对硬不均匀裂纹体的力学分析模型.疲劳实验研究表明,这种不均匀性影响疲劳裂纹扩展速率.文中的疲劳载荷下不均匀裂纹体的边界元数值计算结果表明,随着疲劳裂纹的扩展,在相同扩展步下,裂纹距软硬区界面越近,裂纹张开位移的幅值△COD 越小,J 积分幅值△J 亦越小.不均匀性对疲劳裂纹扩展速率的影响,主要通过影响△J 来实现.裂纹与软硬区界面的距离越近,疲劳裂纹扩展速率越小.     

轴承钢滚动接触疲劳亚表面夹杂处损伤分析

轴承钢在滚动接触疲劳(RCF)中失效的主要原因之一是亚表面白蚀区(WEA)的形成.本文中从塑性应变累积引起剪切局域化新的角度对WEA进行了研究.通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型,研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化.研究表明,接触疲劳载荷引起的塑性应变局域化导致了剪切带的形成.剪切带的形貌、取向和应变与WEA的一致,表明WEA实际上是应变局域化的剪切带.晶体取向对WEA损伤的形成和发展有很大的影响,WEA仅在择优的晶体取向下形成.与软夹杂周围的剪切带和损伤演化不同,硬夹杂处的剪切带与夹杂相切,形成的4条剪切变形带将夹杂“包围”.剪切带内部处于高应变和低应力的状态,带中心处应变达到最大,随带宽两侧急剧减小,而中心处应力却最小,几乎为零,沿带宽两侧增大,这说明裂纹在剪切带内萌生和扩展.该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系,即裂纹是在WEA形成过程中因应变不协调产生,而非裂纹先产生,裂纹上下表面相互摩擦导致WEA形成.     

双相钛合金材料疲劳问题研究进展

双相钛合金材料多样的微观组织结构特征,以及不可避免的内在缺陷,对材料疲劳裂纹萌生、扩展以及失效等多个阶段有着重要的影响．本文针对双相钛合金材料的疲劳问题,聚焦微观组织与几何缺陷效应,从试验和数值模拟两个角度,系统综述了双相钛合金材料在裂纹萌生以及扩展阶段的疲劳性能评估与寿命预测方面的最新研究成果．同时,针对微观细节丰富的片层组织,重点总结了片层组织与微观缺陷协同效应下的双态合金疲劳裂纹萌生问题,并对后续研究中的机遇与挑战进行了展望．     

近场动力学框架下钢轨疲劳裂纹萌生预测的数值方法研究

经典连续介质力学在求解由裂纹引起的不连续问题时,会出现数学构架失效的情况. 为克服这一难题,基于近场动力学理论,构建铁路钢轨疲劳裂纹萌生的数值预测方法,可实现钢轨疲劳裂纹萌生寿命与位置的预测. 当未出现疲劳裂纹时,通过与经典连续介质力学模型的结果对比,验证近场动力学模型的正确性和适用性. 分析了车轮全滑动、黏着-滑动和无摩擦三种状态对钢轨疲劳裂纹萌生的影响规律,结果表明:车轮由全滑动向无摩擦转变的过程中,裂纹萌生位置由钢轨表层转移到内部,裂纹萌生所需的荷载循环次数由0.45×107次增至2.05×107次,可见车轮滚滑状态会影响裂纹的萌生位置,并且较大的切向接触应力会显著降低钢轨的疲劳裂纹萌生寿命.      

接触应力对FCB车轮钢组织演变与性能的影响

利用双盘滚动摩擦磨损试验机进行了贝氏体车轮钢的滚动磨损试验,采用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)分析不同接触应力条件下贝氏体车轮钢次表层微观组织演变. 结果表明:在滚动磨损条件下,磨损机制由黏着磨损转变为疲劳磨损,增大接触应力对黏着磨损阶段的磨损量影响不大,但会显著增加疲劳磨损阶段的磨损量;贝氏体车轮钢在塑性变形的过程中,贝氏体铁素板条中位错逐渐增值、先累积形成小角度晶界,而后形成大角度晶界,使贝氏体铁素体发生细化;接触应力的大小影响表层组织的演变,当接触应力增至1 150 MPa时,晶粒细化为超细等轴晶,继续增加接触应力,组织变化并不明显. 接触应力大小会影响贝氏体车轮钢的表面硬度. 接触应力增加使贝氏体车轮钢的表面硬度增高,硬化层深度增大.      

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.      

列车车轮滚动接触疲劳裂纹评价研究

列车车轮踏面表层金属滚动接触疲劳是影响列车运行安全性和舒适性的核心科学问题. 借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和显微硬度计,通过开展列车车轮材料的标准滚动接触疲劳试验,将标准接触疲劳样品的损伤行为与实际服役车轮的损伤行为对比分析,研究了列车车轮的滚动接触疲劳裂纹评价方法. 结果表明:车轮表层金属接触疲劳开裂是表层金属累积塑性变形损伤的结果;标准滚动接触疲劳样品剥离坑的深度恰好等于硬化层的深度,实际服役车轮剥离坑的深度小于硬化层的深度;将车轮表面的滚动接触疲劳裂纹命名为“三角形指向性裂纹”;初步建立了车轮表面滚动接触疲劳损伤程度的定量评价方法.      

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.     

两种激光熔覆涂层对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

选用钴基合金粉末和铁基合金粉末,利用CO₂多模激光器对轮轨材料进行激光熔覆处理. 分析了钴基合金涂层和铁基合金涂层的微观组织、成分、硬度与应力状态. 未处理试样表面残余应力为拉应力,激光熔覆处理后,涂层表面残余应力为压应力. 利用MJP-30A滚动接触疲劳试验机对激光熔覆处理前后轮轨试样进行滚动摩擦磨损试验. 结果表明:激光熔覆处理后轮轨试样磨损率明显降低,其中激光熔覆钴基合金后,轮轨试样磨损率分别降低96.7%和98.9%,激光熔覆铁基合金后,轮轨试样磨损率分别降低81.7%和93.5%. 未处理轮轨试样表面损伤为疲劳损伤;钴基合金涂层表面损伤最轻微,磨痕表面光滑,出现轻微的小块剥落;铁基合金涂层表面出现细小裂纹和犁沟.      

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.     

Relating geologic units and mobility system kinematics contributing to Curiosity wheel damage at Gale Crater,Mars

Curiosity landed on plains to the north of Mount Sharp in August 2012. By June 2016 the rover had traversed 12.9 km to the southwest, encountering extensive strata that were deposited in a fluvial-deltaic-lacustrine system. Initial drives across sharp sandstone outcrops initiated an unacceptably high rate of punctures and cracks in the thin aluminum wheel skin structures. Initial damage was found to be related to the drive control mode of the six wheel drive actuators and the kinematics of the rocker-bogie suspension. Wheels leading a suspension pivot were forced onto sharp, immobile surfaces by the other wheels as they maintained their commanded angular velocities. Wheel damage mechanisms such as geometry-induced stress concentration cracking and low-cycle fatigue were then exacerbated. A geomorphic map was generated to assist in planning traverses that would minimize further wheel damage. A steady increase in punctures and cracks between landing and June 2016 was due in part because of drives across the sharp sandstone outcrops that could not be avoided. Wheel lifetime estimates show that with careful path planning the wheels will be operational for an additional ten kilometers or more, allowing the rover to reach key strata exposed on the slopes of Mount Sharp.