高速列車車軸鋼超長(zhǎng)壽命疲勞可靠性及強(qiáng)度改善方法.pdf

1、車軸是鐵路機(jī)車車輛走行部最重要的部件，它幾乎承受著機(jī)車車輛的全部重量。機(jī)車車輛在運(yùn)行過(guò)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。車軸損傷主要表現(xiàn)為軸身的常規(guī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞和輪軸等壓裝面處的微動(dòng)疲勞損傷。車軸的設(shè)計(jì)要求其具有30年的服役能力，對(duì)于高速列車，這相當(dāng)于要求車軸具有抵抗3×109周次以上疲勞載荷作用的能力。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，由我國(guó)自主研發(fā)制造的時(shí)速300公里“和諧號(hào)”動(dòng)車組已投入運(yùn)營(yíng)，其國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)70％。可是這

2、些動(dòng)車組的輪軸仍然全部依賴進(jìn)口。一對(duì)進(jìn)口輪軸的費(fèi)用高達(dá)60萬(wàn)人民幣，如果實(shí)現(xiàn)輪軸國(guó)產(chǎn)化，其費(fèi)用將大幅下降。在高速鐵路發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)中，日本使用經(jīng)表面改性處理的中碳鋼，而歐洲使用合金鋼。盡管日、歐對(duì)高速輪軸的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用和維護(hù)具有一定的經(jīng)驗(yàn)，但其抗疲勞試驗(yàn)研究大體儀進(jìn)行到107周次，對(duì)于超長(zhǎng)壽命(107-109周次)疲勞破壞的防止必須依賴于探傷。由于目前疲勞研究者對(duì)車軸材料的超長(zhǎng)壽命疲勞的本質(zhì)尚不十分清楚，因此，開(kāi)展高速列車車軸鋼超

3、長(zhǎng)壽命疲勞可靠性及強(qiáng)度改善方法研究成為國(guó)家需求。該研究對(duì)于我國(guó)高速列車的車軸選材，可靠性設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　受國(guó)家基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目(No.2007CB714705)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No。50671086)和西南交通大學(xué)博士生創(chuàng)新基金項(xiàng)目的資助，本論文選取國(guó)內(nèi)使用的LZ50中碳車軸鋼和35CrMo合金車軸鋼，研究了恒幅及高一低兩級(jí)多次變幅載荷作用下的超長(zhǎng)壽命疲勞性能以及經(jīng)不同的表面改性處理方法處理之后

4、的破壞行為和疲勞性能，本論文主要研究?jī)?nèi)容及獲得的結(jié)論如下：
　　(1)車軸鋼超長(zhǎng)壽命疲勞性能及可靠性評(píng)估方法研究
　　本研究使用四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)LZ50中碳車軸鋼和35CrMo合金車軸鋼開(kāi)展了恒幅加載下的109周次的疲勞試驗(yàn)，獲得了S-N曲線，并基于對(duì)試樣裂紋萌生位置的表面和斷口的觀察，詳細(xì)地分析了兩種車軸鋼超長(zhǎng)壽命疲勞性能。研究表明LZ50中碳車軸鋼和35CrMo車軸鋼在106-109周次范圍內(nèi)存在疲勞極限，但是，

5、35CrMo車軸鋼在超過(guò)108周次發(fā)生了自材料表面的疲勞破壞，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是由極低速裂紋擴(kuò)展造成的。LZ50中碳車軸鋼高于疲勞極限的S-N數(shù)據(jù)滿足三參數(shù)方程，而35CrMo車軸鋼的S-N數(shù)據(jù)滿足兩參數(shù)方程。根據(jù)對(duì)試樣斷口的觀察可以發(fā)現(xiàn)所有LZ50中碳車軸鋼和35CrMo車軸鋼的疲勞破壞均發(fā)生自材料表面晶體滑移。在高應(yīng)力幅加載下，試樣斷口上存在多個(gè)裂紋源，而在低應(yīng)力幅加載下只有一個(gè)裂紋源。同時(shí)35CrMo車軸鋼的疲勞極限均值大于LZ50

6、中碳車軸鋼，但是，其標(biāo)準(zhǔn)方差同樣大于LZ50中碳車軸鋼。
　　此外，在車軸的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行強(qiáng)度可靠性評(píng)估，然而對(duì)于實(shí)物車軸實(shí)驗(yàn)，受實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間的限制，通常無(wú)法獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，需要研究基于小樣本數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法，進(jìn)而為高速車軸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本研究根據(jù)LZ50車軸鋼和35CrMo合金車軸鋼恒幅加載疲勞試驗(yàn)獲得的小樣本疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了基于S-N曲線有限壽命區(qū)的小樣本的疲勞極限可靠性評(píng)估方法，結(jié)果表明，該方法

7、的評(píng)估結(jié)果和可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的升降法的評(píng)估結(jié)果基本一致。
　　(2)變幅載荷作用下車軸鋼疲勞累積損傷規(guī)律及超長(zhǎng)壽命疲勞性能研究
　　車輛在運(yùn)行過(guò)程中，車軸始終受變幅旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用。在評(píng)估車軸壽命時(shí)，需要了解變幅載荷作用下車軸鋼的疲勞累積損傷規(guī)律。研究中針對(duì)在S-N曲線符合三參數(shù)方程的LZ50中碳車軸鋼開(kāi)展了高-低兩級(jí)多次變幅應(yīng)力作用下的超長(zhǎng)壽命旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，提出了基于塑性應(yīng)變的疲勞損傷評(píng)估方法，并詳細(xì)研究了高-低應(yīng)力作

8、用循環(huán)周次比對(duì)疲勞壽命的影響。該方法用材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變-壽命數(shù)據(jù)，基于塑性應(yīng)變線性累積損傷，評(píng)估變載荷下的疲勞損傷。結(jié)果表明，在高-低兩級(jí)變幅應(yīng)力作用下材料在超長(zhǎng)壽命區(qū)域疲勞極限消失，高-低兩級(jí)多次變幅應(yīng)力作用下的疲勞損傷能夠較好的運(yùn)用修正塑性應(yīng)變-壽命曲線進(jìn)行評(píng)估；此外，高-低應(yīng)力作用循環(huán)周次比對(duì)疲勞壽命有顯著地影響，隨著高-低應(yīng)力作用循環(huán)周次比的減小疲勞壽命增大，反之疲勞壽命減小。
　　(3)

9、表面改性處理對(duì)車軸鋼超長(zhǎng)壽命疲勞性能的改善研究
　　表面改性處理工藝通常分為兩種：一種為以滲氮、滲碳及高頻感應(yīng)淬火等為代表的表面熱處理工藝；另一種為以噴丸、滾壓為代表的表面冷處理工藝。目前，這兩種工藝在提高車軸疲勞強(qiáng)度方面均有應(yīng)用。本研究分別選用微粒子噴丸和氮碳共滲作為冷、熱處理的代表工藝，對(duì)LZ50中碳車軸鋼和35CrMo合金車軸鋼分別進(jìn)行了上述處理后進(jìn)行了超長(zhǎng)壽命疲勞試驗(yàn)。對(duì)于經(jīng)噴丸處理的試樣主要研究了處理后所產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)

10、力在試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性及松弛機(jī)理，闡明了控制材料疲勞強(qiáng)度改善的主要因素，探討了微粒子噴丸工藝和材料之間的匹配關(guān)系。對(duì)于經(jīng)氮碳共滲處理的試樣主要研究了處理后表面狀況對(duì)超長(zhǎng)壽命破壞行為和疲勞性能的影響。對(duì)比兩種處理方法的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)微粒子噴丸處理后的表面硬化層比較淺，同時(shí)在疲勞過(guò)程中存在較大程度的應(yīng)力松弛，因此該工藝對(duì)疲勞強(qiáng)度的提高程度有限。而氮碳共滲處理工藝可以獲得較厚的硬化層且殘余應(yīng)力不松弛，從而可以顯著地提高材料的疲勞強(qiáng)度。

11、因此可知，對(duì)于實(shí)物車軸進(jìn)行表面改性處理時(shí)宜采用氮碳共滲等熱處理工藝，但是對(duì)于合金鋼車軸經(jīng)過(guò)處理之后在長(zhǎng)壽命區(qū)域可能會(huì)發(fā)生自材料內(nèi)部夾雜的破壞現(xiàn)象。此外，開(kāi)展了經(jīng)氮碳共滲處理的LZ50車軸鋼和35CrMo合金車軸鋼軸向加載的試驗(yàn)，研究了軸向加載下車軸鋼的破壞行為和疲勞性能，同時(shí)推定了氮碳共滲后車軸材料軸向加載下疲勞強(qiáng)度的提高程度。
　　(4)夾雜物尺寸對(duì)車軸超長(zhǎng)壽命疲勞性能的影響研究
　　35CrMo合金車軸鋼小試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲

12、勞實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)由內(nèi)部非金屬夾雜物引起疲勞破壞的現(xiàn)象，但是35CrMo車軸鋼經(jīng)過(guò)表面改性強(qiáng)化處理之后出現(xiàn)了自內(nèi)部夾雜物的疲勞破壞。同時(shí)與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞小試樣相比，實(shí)際車軸的應(yīng)力梯度相對(duì)要小，且危險(xiǎn)體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小試樣的相應(yīng)體積，因此，實(shí)際車軸有可能發(fā)生自內(nèi)部夾雜的疲勞破壞。從保證安全性出發(fā)，有必要調(diào)查合金車軸鋼中的夾雜物尺寸并分析合金車軸鋼中的夾雜物尺寸對(duì)車軸超長(zhǎng)壽命疲勞斷裂性能的影響。研究中利用有平行段的大危險(xiǎn)體積的超聲疲勞實(shí)驗(yàn)方法調(diào)查了