低溫及預(yù)彈性應(yīng)變下高速車輪鋼的疲勞損傷機(jī)理與疲勞壽命預(yù)測(cè)研究.pdf

1、高速鐵路車輪的低溫疲勞損傷問(wèn)題是在中國(guó)開(kāi)通世界首條高寒高速鐵路線（哈爾濱-大連）后面臨的理論問(wèn)題和運(yùn)營(yíng)維護(hù)、修程制定等的工程問(wèn)題。關(guān)于低溫環(huán)境下的疲勞損傷，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在晶界、滑移帶、不同晶格結(jié)構(gòu)界面、非金屬夾雜等缺陷的邊界等處疲勞裂紋易于萌生，但在疲勞源臨界面上的晶粒內(nèi)部，對(duì)其晶格結(jié)構(gòu)與界面的相互作用機(jī)制方面的研究較少;另一方面，車輪在高速運(yùn)行時(shí)，踏面時(shí)常也會(huì)受到瞬時(shí)沖擊。因此，高速車輪內(nèi)部的載荷是常規(guī)循環(huán)載荷上疊加瞬時(shí)沖擊的彈性應(yīng)變

2、-高周疲勞過(guò)程，本論文引入預(yù)應(yīng)變-疲勞損傷的方法進(jìn)行研究。關(guān)于預(yù)應(yīng)變-疲勞損傷，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為材料內(nèi)部出現(xiàn)顯微應(yīng)變不協(xié)調(diào)的位置是造成預(yù)應(yīng)變-疲勞損傷的重要原因，卻忽略了應(yīng)變速率對(duì)預(yù)應(yīng)變過(guò)程的影響。本論文針對(duì)在不同應(yīng)變速率作用下的車輪鋼預(yù)彈性應(yīng)變-高周疲勞損傷問(wèn)題進(jìn)行了深入的探究，這樣的研究此前未見(jiàn)報(bào)道。
　　本論文首先從車輪的實(shí)際服役工況出發(fā)，通過(guò)ANSYS分別分析了車輪（保持275km/h速度）在直線、曲線及道岔三種不同工況下的應(yīng)

3、力分布與頻率響應(yīng)。其次，在-60℃～60℃的溫度及10-5s-1～10-2s-1的應(yīng)變速率工況下，分別對(duì)車輪鋼的高周疲勞損傷機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探究。最后，引入粗糙集理論對(duì)溫度及預(yù)彈性應(yīng)變影響下的高周疲勞過(guò)程中的特征參數(shù)進(jìn)行了屬性約簡(jiǎn)，嘗試提出了基于屬性約簡(jiǎn)的疲勞模型。
　　本論文的主要結(jié)論歸納如下:
　　(1)通過(guò)對(duì)車輪的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析表明，車輪踏面位置只有與軌道接觸時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)較大的接觸應(yīng)力，其余時(shí)刻幾乎沒(méi)有殘余應(yīng)力和車輪

4、旋轉(zhuǎn)慣性的影響;輪輞和輪輻位置的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)則完全不同，一直處于高頻、低應(yīng)力幅的高周疲勞狀態(tài)。
　　(2)在-60℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，無(wú)論是車輪輪輞還是輪輻樣品的高周疲勞斷裂，都存在著局部韌性和脆性的顯微斷裂機(jī)制;在靠近疲勞源的疲勞臨界面區(qū)域，晶?；騺喚Я?nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)位向特征幾乎一致，晶格均嚴(yán)格的傾向于bcc結(jié)構(gòu)的主滑移面，即{110}和{112}晶面族。因此，在疲勞臨界面上的晶粒/亞晶粒內(nèi)部，晶格結(jié)構(gòu)整體都進(jìn)行了充分的偏

5、轉(zhuǎn)與滑移。
　　(3)在-60℃～-30℃較低的溫度范圍內(nèi)，低溫高周疲勞損傷機(jī)制類似材料的“彈滯性耗散”，主要通過(guò)位錯(cuò)振蕩的方式實(shí)現(xiàn);形變模式主要依賴于限制在晶格內(nèi)主滑移面上的平面式位錯(cuò)滑移;晶界位置的駐留滑移帶的進(jìn)一步擴(kuò)展與位錯(cuò)阻礙對(duì)低溫疲勞的失效扮演重要的作用。
　　(4)在0℃～60℃較高的溫度范圍內(nèi)，高溫高周疲勞損傷機(jī)制類似材料的“非彈性耗散”，主要通過(guò)塑性滑移的方式實(shí)現(xiàn);疲勞斷面的臨界區(qū)域出現(xiàn)大量的亞晶粒，以及在斷

6、面以下局部存在奧氏體相變，奧氏體與其周圍的亞晶粒，形成單獨(dú)的“亞晶粒包”結(jié)構(gòu)特點(diǎn);位錯(cuò)滑移帶的運(yùn)動(dòng)與晶粒內(nèi)部位錯(cuò)包界面的阻礙是高溫疲勞斷裂的最重要的原因。
　　(5)關(guān)于預(yù)應(yīng)變速率對(duì)材料的預(yù)應(yīng)變水平和后疲勞損傷的研究發(fā)現(xiàn):10-5s-1～10-2s-1范圍的預(yù)彈性應(yīng)變速率對(duì)后恒幅高周疲勞壽命的影響明顯且非單調(diào);在不同應(yīng)變速率作用下的預(yù)彈性應(yīng)變之后，材料內(nèi)部就出現(xiàn)明顯不同的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)特征，這為接下來(lái)的高周疲勞過(guò)程出現(xiàn)的循環(huán)塑性應(yīng)變累積

7、，提供了不同的節(jié)點(diǎn)和位置選擇;預(yù)應(yīng)變速率對(duì)材料的斷裂韌度影響明顯且非線性。綜上所述，整個(gè)預(yù)彈性應(yīng)變后的循環(huán)加載過(guò)程中，主要存在兩個(gè)重要的疲勞損傷機(jī)制:晶粒內(nèi)部均勻形變的強(qiáng)化機(jī)制和晶界或位錯(cuò)包界面結(jié)構(gòu)完整性的斷裂保護(hù)機(jī)制。
　　(6)首次運(yùn)用粗糙集理論對(duì)車輪鋼高周疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究，是在對(duì)低溫和預(yù)彈性應(yīng)變的特殊邊界條件下的疲勞機(jī)理以及循環(huán)形變行為的良好認(rèn)知，以及對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，計(jì)算出適宜于不同邊界條件下疲勞行為的特征參數(shù)