高速列車鑄鋼制動盤熱疲勞性能研究及壽命預(yù)測.pdf

1、制動盤是高速列車重要的基礎(chǔ)制動裝置之一，其在服役過程中的安全可靠性直接影響到列車的運(yùn)行安全。制動盤在長期的服役過程中，反復(fù)受到循環(huán)溫度的作用，因此由循環(huán)交變熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞開裂是制動盤失效的主要原因之一。本文對高速列車制動盤鑄鋼材料在不同溫度下的力學(xué)性能、熱物理性能和熱疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗研究，為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用熱-力順序耦合的方法模擬了鑄鋼制動盤在緊急制動和常規(guī)制動工況下的溫度場和應(yīng)力場分布，并通過子模型技術(shù)研究了表面劃傷對

2、制動盤溫度場和應(yīng)力場的影響。同時，將熱疲勞實(shí)驗與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，研究了制動盤熱疲勞裂紋萌生特點(diǎn)、熱疲勞裂紋擴(kuò)展行為以及熱疲勞過程中組織的演變規(guī)律，確定了各循環(huán)溫度下熱疲勞試樣的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線和裂紋擴(kuò)展速率da/dN～△K曲線，并對無缺陷制動盤和劃傷制動盤的熱疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。主要結(jié)論如下:
　　(1)緊急制動時熱應(yīng)力超過了制動盤材料的屈服強(qiáng)度，造成了不可恢復(fù)的塑性變形，在盤面上產(chǎn)生了215MPa的等效殘余應(yīng)力，其中環(huán)向拉應(yīng)力

3、是造成制動盤發(fā)生熱疲勞破壞的主要應(yīng)力分量;常規(guī)制動時制動盤摩擦面處于彈性變形階段，冷卻到室溫后，摩擦面沒有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。
　　(2)劃傷缺陷對制動盤的應(yīng)力分布作用顯著，劃傷在制動盤表面造成了局部應(yīng)力集中，不同劃傷處的等效殘余應(yīng)力為無缺陷盤的2.32～4.31倍;其中制動盤表面的局部應(yīng)力隨著劃傷位置、缺口角度的增大而降低，并隨劃傷深度的增大而增加，垂直于劃傷的徑向應(yīng)力是導(dǎo)致制動盤裂紋萌生和擴(kuò)展的主要驅(qū)動力。
　　(3)鑄鋼材料

4、的熱疲勞裂紋在高溫氧化腐蝕和熱循環(huán)應(yīng)力共同作用下在缺口尖端處萌生，裂紋的萌生方式為穿晶開裂;主裂紋的擴(kuò)展機(jī)制是裂紋尖端在循環(huán)應(yīng)力的作用下不斷的張開鈍化、閉合銳化，使得裂紋平直向前擴(kuò)展，同時高溫氧化腐蝕、組織的演變和循環(huán)軟化加速了裂紋的擴(kuò)展，主裂紋的擴(kuò)展方式為穿晶;網(wǎng)狀裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制是缺口區(qū)域在局部應(yīng)力集中作用下不斷的塑性累積產(chǎn)生褶皺，同時在高溫下氧元素對晶界的削弱促使了網(wǎng)狀裂紋在晶界處萌生和擴(kuò)展，網(wǎng)狀裂紋的萌生和擴(kuò)展方式為沿晶。<

5、br>　　(4)在熱疲勞過程中，試樣淬火區(qū)的硬度表現(xiàn)為軟化和硬化循環(huán)交替出現(xiàn)，硬度呈類周期震蕩變化特點(diǎn)，但總的趨勢為循環(huán)軟化，而且軟化程度隨著循環(huán)上限溫度提高雨增大;相對應(yīng)的，在650℃循環(huán)上限溫度時，試樣淬火區(qū)組織發(fā)生緩慢變化，原本保持著馬氏體位向的回火索氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钏魇象w組織，而循環(huán)上限溫度為600℃以下時，材料的組織沒有發(fā)生明顯的變化，具有較高的熱穩(wěn)定性。
　　(5)劃傷制動盤與無缺陷制動盤相比，熱疲勞裂紋萌生壽命