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.     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

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.     

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.     

近年滚动接触疲劳的确定性研究寿命模型综述

概括了基于裂纹萌生的模型、基于裂纹扩展的模型、基于裂纹萌生和扩展的模型这三类确定性模型各自的特征及相应的计算模型;介绍了两个考虑材料微观结构的模拟方法;并对该研究方向中存在的理论建模、试验等方面的不足做了简要的总结。     

不均匀组织ER8车轮滚动接触疲劳性能研究

针对含不均匀组织ER8车轮服役过程中过早出现滚动接触疲劳(RCF)损伤这一实际问题,通过RCF试验,获得了车轮不均匀组织和正常组织的RCF极限;利用光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)重点表征了RCF裂纹萌生处的微观组织. 借助扫描电镜(SEM)和原位拉伸试验台测试了两种组织的弹、塑性能并原位观察了裂纹的扩展行为. 结果表明:车轮踏面不均匀组织的RCF极限低于轮辋正常组织,不均匀组织中除车轮正常组织应有的珠光体和先共析铁素体组织外,还存在大量的上贝氏体,上贝氏体的存在破坏了车轮正常组织的连续均匀性. RCF裂纹的萌生和扩展主要发生在上贝和正常组织的边界处,上贝氏体的硬度、弹性高于正常组织,但塑性小于正常组织,在相同接触应力作用下,两者弹-塑性变形的不协调是导致其组织边界处产生应力集中,进而诱发并促进疲劳裂纹的萌生和扩展,加速车轮RCF损伤出现的主要原因.      

等温淬火球墨铸铁的滚动接触磨损性能研究

将2种等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron, ADI)和合金钢车轮材料分别与合金钢钢轨材料匹配,研究各摩擦副的滚动接触磨损性能.结果表明:与合金钢车轮材料相比,2种ADI材料的磨损性能均有大幅度的改善.硬度低、石墨球直径小且密度大的ADI材料自润滑效果好,相对应的摩擦副抗磨损性能最好;硬度高、石墨球直径大且密度小的ADI材料自润滑效果较差,相对应的摩擦副抗磨损性能居中;合金钢车轮材料不具备自润滑能力,相对应的摩擦副抗磨损性能最差.     

马氏体钢表面磁控溅射类金刚石薄膜滚动接触疲劳失效机理

采用磁控溅射技术在马氏体钢基体表面制备类金刚石(DLC)薄膜,应用扫描电镜、Raman光谱仪和划痕测试仪等对薄膜进行表征. 基于对失效表面及截面微观特征的详细分析,研究了DLC薄膜在接触疲劳载荷下的失效特征和机理. 结果表明:DLC薄膜试样的滚动接触疲劳(RCF)寿命比基体的寿命显著提高,且薄膜磨损后试样的剩余寿命仍比原基体寿命长. 薄膜厚度3 μm,处于接触最大应力分布的15 μm范围内. DLC薄膜是从基体表面粗糙峰处产生微裂纹进而导致薄膜剥落,基体材料裸露,最终试样失效.      

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.     

不同含氧量环境下紫铜/黄铜电接触微动磨损性能研究

电连接器常因接触界面磨损发生严重失效,因此有必要研究电接触模式下的微动磨损行为。本文中基于电接触模式和不同环境含氧量(即氧气体积分数分别为10%、20%和30%,后文统一称作10%O₂、20%O₂和30%O₂环境),着重研究含氧量对紫铜/黄铜微动磨损行为与磨损机制的影响。研究发现：10%O₂、20%O₂和30%O₂环境时所对应的摩擦系数稳定值分别为0.77、0.71和0.80,摩擦耗散能和磨损体积的结果变化趋势一致,即10%O₂环境下最高,20%O₂最低,30%O₂介于两者之间,可以推测,含氧量最低条件时的损伤比含氧量高时更严重。通过电接触寿命可以看出, 20%O₂环境中电接触性能最优,10%O₂次之,30%O₂最差,不同含氧量时的微动磨损区均发生不同程度的氧化,理论上含氧量越高氧化现象越严重,但10%O₂     

接触应力对轮轨材料滚动摩擦磨损性能影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了接触应力对轮轨材料的滚动摩擦磨损性能影响.结果表明：随接触应力的增加,滚动摩擦系数呈增加趋势,车轮和钢轨试样磨损加剧;相同接触应力水平下,车轮试样磨损量大于钢轨试样,表面损伤严重;随接触应力的增加,车轮试样表面从犁沟且轻微剥落向严重剥落损伤转变,钢轨试样表面损伤主要表现为犁沟效应并伴随有剥落现象,但相比车轮试样的剥离损伤要轻微.     

45~#钢/GCr15钢摩擦副的滚动磨损特性研究

通过对液压式试验台夹具进行改造 ,研制了往复滚动试验装置 ,以实现对运动位移和表面摩擦力的精确控制 .利用该装置考察了表面摩擦力变化对 45 #钢 / GCr15钢摩擦副滚动磨损特性的影响 .结果表明 :随着表面摩擦力的增加 ,钢的滚动磨损明显加剧 ,磨损机制亦发生变化 .     

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.     

等离子喷涂铁基涂层的疲劳磨损裂纹行为

采用等离子喷涂制备了铁基涂层,使用球盘式疲劳磨损试验机进行涂层的疲劳磨损试验,利用声发射技术在线判断涂层开裂,并通用透射电子显微镜（TEM）分析了试验前后涂层内部微观结构,研究了喷涂层疲劳磨损裂纹的扩展行为。结果表明：制备的涂层致密,结合状态良好,主要相为铁素体,同时存在大量的非晶-纳米晶相,利用声发射技术能够表征涂层的临界失效状态,其内部疲劳磨损裂纹主要以韧性穿晶断裂的形式扩展。     

车轮钢滚动剥离摩擦磨损特性研究

在NENE-2型摩擦磨损试验机上利用往复滚动试验装置研究了不同滚滑状态下车轮钢的剥离摩擦磨损特性和碳含量对车轮钢滚动剥离磨损性能的影响.结果表明:在不同滚滑状态下摩擦副之间的摩擦力不同,平面试样的表面磨痕形貌随着不同的切向摩擦力而明显不同,随着切向摩擦力的增大滚动磨损机制亦发生改变,剥离磨损加剧且磨损深度变大,当相对滑动量增大到一定程度后,磨损表现为明显的剥层机制;碳含量对车轮钢的滚动磨损表面磨痕形貌影响显著,碳含量低时磨痕以犁沟为主,碳含量高时剥离磨损发生的概率增加.     

钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为的影响研究

采用自制的钢丝微动磨损试验机考察了钢丝的微动摩擦磨损性能，随后将经过一定时间微动磨损试验后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行拉一拉疲劳试验，进而探讨了微动摩擦系数和微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的变化关系；并利用扫描电子显微镜分析了试样磨痕和磨屑的表面形貌．结果表明，在较大的微动振幅下，钢丝的微动摩擦系数变化幅度不大，微动磨损深度随微动磨损试验时间和接触载荷的增加而增大；微动磨损试验后钢丝试样的疲劳寿命同磨损深度成反比关系；可以将疲劳断口划分为4个区域，其同钢丝试样的疲劳断裂过程相对应．     

合金含量对高速车轮材料滚动接触磨损性能的影响

将2种含碳量相同合金含量不同的高速车轮材料分别与钢轨材料匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试了各摩擦副的摩擦系数和磨损率,比较研究了组织、硬度和加工硬化等因素对车轮材料滚动接触磨损性能的影响.结果表明：在传统的高速车轮材料中适当地增加Si、Mn的含量,降低Cr的含量可以提高车轮材料的抗磨损性能;硬度高的车轮材料未必耐磨,组织差异对车轮材料的抗磨损性能影响显著;表面裂纹易萌生于高度变形的先共析铁素体组织;加工硬化引起的硬度增加对材料的抗磨损性能影响不大.