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原文传递 U71Mn钢轨伤损机理研究

论文题名：	U71Mn钢轨伤损机理研究
关键词：	铁路钢轨;塑性变形;裂纹扩展;剪切应力
摘要：	钢轨的失效一方面会增加铁路运输成本，另一方面会对行车安全造成极大的威胁。因此对钢轨表层损伤行为进行研究，对制定合理的钢轨维护措施具有重要的实践指导意义，合理的钢轨维护方案能够大大提高钢轨的使用安全性，延长钢轨的服役年限，降低铁路运输的运营成本。U71Mn钢轨是我国使用时间最长、最广泛的C-Mn钢轨，有较好的韧、塑性，尤其低温性能较好，焊接性能优良。目前对于这种钢轨伤损行为的分析较为不全面，因此本文基于这一点，利用维式硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜以及能谱仪等对服役后的U71Mn轨道钢的力学性能、显微组织和裂纹萌生及扩展情况等进行分析研究。主要成果如下: 　　(1) U71Mn钢轨在使用过程中表层各处受力不均匀，导致各处塑性变形程度不同，从而引起加工硬化程度的不同。轮轨在运行过程中处于两点接触的状态，主要接触区域在钢轨轨距角处和轨顶接触面上，因此钢轨表层硬度曲线中出现了两个峰值，分别在轨距角处和轨顶接触面上。钢轨轨距角处轮轨接触斑面积比钢轨轨顶面接触斑面积小，因而轨距角处的接触应力较大，因此钢轨表层轨距角处比轨顶面具有更严重的塑性变形程度，从而导致轨距角处具有更高的表层硬度以及较厚的硬化层。钢轨非接触区域的表面脱碳层使得此区域表层硬度较低。　　(2) U71Mn钢轨表层中的剪切应力使得表层产生剪切塑性变形，当塑性应变积累到一定程度便会萌生裂纹，因此钢轨表层疲劳裂纹的萌生位置主要由最大剪切应力的位置决定。钢轨中最大切应力在距钢轨表面0～0.5b（b为轮轨接触椭圆斑短半轴）深度内，所以裂纹容易萌生于此深度内，钢轨与车轮之间的摩擦力越大，裂纹萌生的位置越靠近钢轨表面。钢轨表层中有较多非金属夹杂物MnS，对钢轨中裂纹的萌生有极大的促进作用。裂纹萌生的位置不同会引起不同的伤损形态，萌生于表面的裂纹使钢轨表面产生麻点剥落，而萌生于次表面的裂纹容易向钢轨内部扩展，引起剥离掉块或者是断裂。　　(3) U71Mn钢轨中裂纹在钢轨轨距角处沿列车运行方向周期性出现，扩展倾角较小，当裂纹扩展到一定深度时，会出现二次裂纹。裂纹扩展初期以穿晶扩展的方式进行扩展，随着裂纹往深度方向扩展，扩展驱动力下降，裂纹便会以消耗能量较少的沿晶扩展的方式向前扩展。钢轨裂纹间隙中有较多氧化物，对裂纹扩展有一定的促进作用。
作者：	钦凤
专业：	材料工程
导师：	高文理;言运强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文