車軸鋼超長壽命疲勞性能及可靠性研究.pdf

1、隨著鐵路車輛向高速化發(fā)展，車軸在服役期間所承受的交變載荷次數(shù)將超過109。過去的研究認(rèn)為，鋼鐵材料一般在疲勞壽命為106周次左右存在疲勞極限，因此材料107周次的S-N曲線即可滿足車軸等構(gòu)件的疲勞設(shè)計安全要求?？墒亲罱畮啄陙韰s發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度合金鋼、表面改性鋼和鑄鐵等材料在低于傳統(tǒng)的疲勞極限應(yīng)力幅作用下，在加載次數(shù)為107～109周次的超長壽命區(qū)，發(fā)生由材料內(nèi)部夾雜物和鑄造缺陷等引起的內(nèi)部疲勞破壞；而沒有夾雜物和組織缺陷的低強(qiáng)度鋼鐵材料，

2、如奧氏體低碳鋼，雖然不發(fā)生內(nèi)部破壞，但可能存在極低速的表面裂紋擴(kuò)展機(jī)制，同樣導(dǎo)致疲勞破壞。車軸是鐵路機(jī)車車輛走行部最重要的部件，機(jī)車車輛在運(yùn)行過程中一旦發(fā)生斷軸，將引起列車脫軌、翻車等重大惡性事故。闡明車軸鋼超長壽命疲勞性能是保證車軸安全服役的基礎(chǔ)。 本文研究兩種用于鐵路機(jī)車車輛的車軸鋼(50中碳鋼和35Cr-Mo合金鋼)的超長壽命疲勞性能和可靠性評估方法。研究目的包括以下三個方面：(1)調(diào)查兩種車軸鋼材料的疲勞失效機(jī)制及性能；

3、(2)探索如何在低實(shí)驗成本的情況下通過小樣本疲勞試驗數(shù)據(jù)建立起一種簡單實(shí)用的疲勞極限可靠性評估方法；(3)通過比較兩種車軸鋼之間疲勞性能的共性和差異為車軸設(shè)計的選材提供科學(xué)依據(jù)。 基于上述研究目的，使用四連式懸臂梁型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)在室溫空氣條件下完成了上述兩種車軸鋼的109周次的超長壽命疲勞試驗，通過對材料疲勞性能和試驗數(shù)據(jù)的可靠性分析，獲得了以下研究結(jié)果，具體如下： 兩種車軸鋼具有疲勞極限，均只有一種疲勞破壞機(jī)制，

4、即表面裂紋萌生-擴(kuò)展機(jī)制。Cr-Mo車軸鋼的疲勞極限高于中碳車軸鋼，但其分散性大于中碳車軸鋼；兩種車軸鋼對疲勞裂紋萌生一擴(kuò)展的抵抗性能基本相同。 本文提出了兩種疲勞極限可靠性評估方法。這兩種方法是基于材料滿足等效損傷原理的假設(shè)，通過應(yīng)力—壽命數(shù)據(jù)等效換算方法獲得疲勞極限區(qū)的應(yīng)力分布實(shí)現(xiàn)的。這兩種方法分別適用于在小樣本試驗條件下的兩種車軸鋼材料的疲勞極限可靠性評估。 兩種車軸鋼抗疲勞性能差異表明，Cr-Mo車軸鋼的疲勞極限