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原文传递高速列车车轴钢超长寿命疲劳可靠性及强度改善方法

论文题名：	高速列车车轴钢超长寿命疲劳可靠性及强度改善方法
关键词：	列车车轴钢;疲劳性能;可靠性设计;载荷作用;表面改性;破坏行为
摘要：	车轴是铁路机车车辆走行部最重要的部件，它几乎承受着机车车辆的全部重量。机车车辆在运行过程中一旦发生断轴，将引起列车脱轨、翻车等重大恶性事故。车轴损伤主要表现为轴身的常规旋转弯曲疲劳和轮轴等压装面处的微动疲劳损伤。车轴的设计要求其具有30年的服役能力，对于高速列车，这相当于要求车轴具有抵抗3×109周次以上疲劳载荷作用的能力。随着我国高速铁路的发展，由我国自主研发制造的时速300公里“和谐号”动车组已投入运营，其国产化率超过70％。可是这些动车组的轮轴仍然全部依赖进口。一对进口轮轴的费用高达60万人民币，如果实现轮轴国产化，其费用将大幅下降。在高速铁路发达的国家和地区中，日本使用经表面改性处理的中碳钢，而欧洲使用合金钢。尽管日、欧对高速轮轴的设计、制造、运用和维护具有一定的经验，但其抗疲劳试验研究大体仪进行到107周次，对于超长寿命(107-109周次)疲劳破坏的防止必须依赖于探伤。由于目前疲劳研究者对车轴材料的超长寿命疲劳的本质尚不十分清楚，因此，开展高速列车车轴钢超长寿命疲劳可靠性及强度改善方法研究成为国家需求。该研究对于我国高速列车的车轴选材，可靠性设计和寿命评估具有重要现实意义。　　受国家基础研究973项目(No.2007CB714705)、国家自然科学基金面上项目(No。50671086)和西南交通大学博士生创新基金项目的资助，本论文选取国内使用的LZ50中碳车轴钢和35CrMo合金车轴钢，研究了恒幅及高一低两级多次变幅载荷作用下的超长寿命疲劳性能以及经不同的表面改性处理方法处理之后的破坏行为和疲劳性能，本论文主要研究内容及获得的结论如下：　　(1)车轴钢超长寿命疲劳性能及可靠性评估方法研究　　本研究使用四轴旋转弯曲疲劳试验机对LZ50中碳车轴钢和35CrMo合金车轴钢开展了恒幅加载下的109周次的疲劳试验，获得了S-N曲线，并基于对试样裂纹萌生位置的表面和断口的观察，详细地分析了两种车轴钢超长寿命疲劳性能。研究表明LZ50中碳车轴钢和35CrMo车轴钢在106-109周次范围内存在疲劳极限，但是，35CrMo车轴钢在超过108周次发生了自材料表面的疲劳破坏，这种现象被认为是由极低速裂纹扩展造成的。LZ50中碳车轴钢高于疲劳极限的S-N数据满足三参数方程，而35CrMo车轴钢的S-N数据满足两参数方程。根据对试样断口的观察可以发现所有LZ50中碳车轴钢和35CrMo车轴钢的疲劳破坏均发生自材料表面晶体滑移。在高应力幅加载下，试样断口上存在多个裂纹源，而在低应力幅加载下只有一个裂纹源。同时35CrMo车轴钢的疲劳极限均值大于LZ50中碳车轴钢，但是，其标准方差同样大于LZ50中碳车轴钢。　　此外，在车轴的疲劳强度设计时，需要进行强度可靠性评估，然而对于实物车轴实验，受实验费用和时间的限制，通常无法获得大量的实验数据，因此，需要研究基于小样本数据的可靠性评估方法，进而为高速车轴设计提供依据。本研究根据LZ50车轴钢和35CrMo合金车轴钢恒幅加载疲劳试验获得的小样本疲劳试验数据，提出了基于S-N曲线有限寿命区的小样本的疲劳极限可靠性评估方法，结果表明，该方法的评估结果和可靠性验证实验的升降法的评估结果基本一致。　　(2)变幅载荷作用下车轴钢疲劳累积损伤规律及超长寿命疲劳性能研究　　车辆在运行过程中，车轴始终受变幅旋转弯曲应力的作用。在评估车轴寿命时，需要了解变幅载荷作用下车轴钢的疲劳累积损伤规律。研究中针对在S-N曲线符合三参数方程的LZ50中碳车轴钢开展了高-低两级多次变幅应力作用下的超长寿命旋转弯曲疲劳试验，提出了基于塑性应变的疲劳损伤评估方法，并详细研究了高-低应力作用循环周次比对疲劳寿命的影响。该方法用材料的循环应力-应变关系将应力-寿命数据转换为应变-寿命数据，基于塑性应变线性累积损伤，评估变载荷下的疲劳损伤。结果表明，在高-低两级变幅应力作用下材料在超长寿命区域疲劳极限消失，高-低两级多次变幅应力作用下的疲劳损伤能够较好的运用修正塑性应变-寿命曲线进行评估；此外，高-低应力作用循环周次比对疲劳寿命有显著地影响，随着高-低应力作用循环周次比的减小疲劳寿命增大，反之疲劳寿命减小。　　(3)表面改性处理对车轴钢超长寿命疲劳性能的改善研究　　表面改性处理工艺通常分为两种：一种为以渗氮、渗碳及高频感应淬火等为代表的表面热处理工艺；另一种为以喷丸、滚压为代表的表面冷处理工艺。目前，这两种工艺在提高车轴疲劳强度方面均有应用。本研究分别选用微粒子喷丸和氮碳共渗作为冷、热处理的代表工艺，对LZ50中碳车轴钢和35CrMo合金车轴钢分别进行了上述处理后进行了超长寿命疲劳试验。对于经喷丸处理的试样主要研究了处理后所产生的压缩残余应力在试验过程中的稳定性及松弛机理，阐明了控制材料疲劳强度改善的主要因素，探讨了微粒子喷丸工艺和材料之间的匹配关系。对于经氮碳共渗处理的试样主要研究了处理后表面状况对超长寿命破坏行为和疲劳性能的影响。对比两种处理方法的疲劳试验结果，可以发现微粒子喷丸处理后的表面硬化层比较浅，同时在疲劳过程中存在较大程度的应力松弛，因此该工艺对疲劳强度的提高程度有限。而氮碳共渗处理工艺可以获得较厚的硬化层且残余应力不松弛，从而可以显著地提高材料的疲劳强度。因此可知，对于实物车轴进行表面改性处理时宜采用氮碳共渗等热处理工艺，但是对于合金钢车轴经过处理之后在长寿命区域可能会发生自材料内部夹杂的破坏现象。此外，开展了经氮碳共渗处理的LZ50车轴钢和35CrMo合金车轴钢轴向加载的试验，研究了轴向加载下车轴钢的破坏行为和疲劳性能，同时推定了氮碳共渗后车轴材料轴向加载下疲劳强度的提高程度。　　(4)夹杂物尺寸对车轴超长寿命疲劳性能的影响研究　　35CrMo合金车轴钢小试样旋转弯曲疲劳实验中没有出现由内部非金属夹杂物引起疲劳破坏的现象，但是35CrMo车轴钢经过表面改性强化处理之后出现了自内部夹杂物的疲劳破坏。同时与旋转弯曲疲劳小试样相比，实际车轴的应力梯度相对要小，且危险体积远远大于小试样的相应体积，因此，实际车轴有可能发生自内部夹杂的疲劳破坏。从保证安全性出发，有必要调查合金车轴钢中的夹杂物尺寸并分析合金车轴钢中的夹杂物尺寸对车轴超长寿命疲劳断裂性能的影响。研究中利用有平行段的大危险体积的超声疲劳实验方法调查了试样中的夹杂物尺寸，并推测了危险体积内最大非金属夹杂物尺寸，在此基础上，基于断裂力学分析了夹杂物尺寸对实物车轴疲劳强度的定量影响。
作者：	张继旺
专业：	载运工具运用工程
导师：	鲁连涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文