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车轴钢超长寿命疲劳性能及可靠性研究
| 论文题名： | 车轴钢超长寿命疲劳性能及可靠性研究 |
| 关键词： | 铁路机车;车轴钢;疲劳寿命;交变载荷;S-N曲线;可靠性分析;材料性能 |
| 摘要： | 随着铁路车辆向高速化发展，车轴在服役期间所承受的交变载荷次数将超过109。过去的研究认为，钢铁材料一般在疲劳寿命为106周次左右存在疲劳极限，因此材料107周次的S-N曲线即可满足车轴等构件的疲劳设计安全要求。可是最近十几年来却发现，高强度合金钢、表面改性钢和铸铁等材料在低于传统的疲劳极限应力幅作用下，在加载次数为107～109周次的超长寿命区，发生由材料内部夹杂物和铸造缺陷等引起的内部疲劳破坏；而没有夹杂物和组织缺陷的低强度钢铁材料，如奥氏体低碳钢，虽然不发生内部破坏，但可能存在极低速的表面裂纹扩展机制，同样导致疲劳破坏。车轴是铁路机车车辆走行部最重要的部件，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。阐明车轴钢超长寿命疲劳性能是保证车轴安全服役的基础。 本文研究两种用于铁路机车车辆的车轴钢(50中碳钢和35Cr-Mo合金钢)的超长寿命疲劳性能和可靠性评估方法。研究目的包括以下三个方面：(1)调查两种车轴钢材料的疲劳失效机制及性能；(2)探索如何在低实验成本的情况下通过小样本疲劳试验数据建立起一种简单实用的疲劳极限可靠性评估方法；(3)通过比较两种车轴钢之间疲劳性能的共性和差异为车轴设计的选材提供科学依据。 基于上述研究目的，使用四连式悬臂梁型旋转弯曲疲劳试验机在室温空气条件下完成了上述两种车轴钢的109周次的超长寿命疲劳试验，通过对材料疲劳性能和试验数据的可靠性分析，获得了以下研究结果，具体如下： 两种车轴钢具有疲劳极限，均只有一种疲劳破坏机制，即表面裂纹萌生-扩展机制。Cr-Mo车轴钢的疲劳极限高于中碳车轴钢，但其分散性大于中碳车轴钢；两种车轴钢对疲劳裂纹萌生一扩展的抵抗性能基本相同。 本文提出了两种疲劳极限可靠性评估方法。这两种方法是基于材料满足等效损伤原理的假设，通过应力—寿命数据等效换算方法获得疲劳极限区的应力分布实现的。这两种方法分别适用于在小样本试验条件下的两种车轴钢材料的疲劳极限可靠性评估。 两种车轴钢抗疲劳性能差异表明，Cr-Mo车轴钢的疲劳极限均值(385.5MPa)是中碳车轴钢(258.3MPa)的1.49倍。标准偏差与疲劳极限均值的比(6.02％)是中碳车轴钢(1.36％)的4.43倍。当两种车轴钢都能够满足强度设计要求时，建议优先选用中碳车轴钢作为铁路机车车轴的材料。 |
| 作者： | 张艳斌 |
| 专业： | 载运工具运用工程 |
| 导师： | 鲁连涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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