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)測研究.pdf

1、高速鐵路車輪的低溫疲勞損傷問題是在中國開通世界首條高寒高速鐵路線（哈爾濱-大連）后面臨的理論問題和運營維護(hù)、修程制定等的工程問題。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，車輪在高速運行時，踏面時常也會受到瞬時沖擊。因此，高速車輪內(nèi)部的載荷是常規(guī)循環(huán)載荷上疊加瞬時沖擊的彈性應(yīng)變

2、-高周疲勞過程，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)變速率對預(yù)應(yīng)變過程的影響。本論文針對在不同應(yīng)變速率作用下的車輪鋼預(yù)彈性應(yīng)變-高周疲勞損傷問題進(jìn)行了深入的探究，這樣的研究此前未見報道。
　　本論文首先從車輪的實際服役工況出發(fā)，通過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，引入粗糙集理論對溫度及預(yù)彈性應(yīng)變影響下的高周疲勞過程中的特征參數(shù)進(jìn)行了屬性約簡，嘗試提出了基于屬性約簡的疲勞模型。
　　本論文的主要結(jié)論歸納如下:
　　(1)通過對車輪的瞬時動態(tài)應(yīng)力分析表明，車輪踏面位置只有與軌道接觸時，才會出現(xiàn)較大的接觸應(yīng)力，其余時刻幾乎沒有殘余應(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，晶粒或亞晶粒內(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”，主要通過位錯振蕩的方式實現(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滑移;晶界位置的駐留滑移帶的進(jìn)一步擴(kuò)展與位錯阻礙對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”，主要通過塑性滑移的方式實現(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，形成單獨的“亞晶粒包”結(jié)構(gòu)特點;位錯滑移帶的運動與晶粒內(nèi)部位錯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)明顯不同的位錯結(jié)構(gòu)特征，這為接下來的高周疲勞過程出現(xiàn)的循環(huán)塑性應(yīng)變累積

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