表面凹坑缺陷對高速列車車軸鋼疲勞性能影響研究.pdf

1、運行安全是高速動車組關(guān)注的首要問題，高速動車組車軸的疲勞壽命直接關(guān)系到高速動車組的行車安全。本論文針對現(xiàn)役S38C表面感應(yīng)淬火高速動車組車軸在異物高速沖擊下，其表面凹坑缺陷對疲勞壽命的影響開展細致研究，旨在為評價該類表面凹坑缺陷對車軸的疲勞壽命影響和提出該類表面凹坑缺陷的修復(fù)方法提供參考依據(jù)。
　　高速動車組車軸設(shè)計壽命一般為30年或者設(shè)計服役循環(huán)周次約為2×109。通常，造成車軸疲勞斷裂的主因是車軸表面損傷，這類表面損傷主要有:

2、局部應(yīng)力腐蝕、冶金缺陷與夾雜、過盈配合壓裝表面微動損傷等。隨著高速動車組在中國客運專線上的大量載客運行和動車所維修維護工作的跟進，發(fā)現(xiàn)高速運行中的高速動車組車軸由于異物沖擊，造成大量的車軸表面凹坑缺陷。目前，尚無針對此類缺陷對車軸疲勞壽命影響的系統(tǒng)研究。為系統(tǒng)評價車軸表面異物沖擊造成的凹坑缺陷對車軸疲勞性能的影響，本論文開展了如下研究工作:
　　首先，根據(jù)形貌特征對S38C車軸表面的高速沖擊造成的凹坑缺陷進行分類，采用硬度計、光鏡

3、、透射電子顯微鏡和電火花直讀光譜儀分析車軸表面和心部的微觀組織和化學(xué)成分，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實驗;其次，設(shè)計電火花加工缺口和人工壓痕兩種缺陷，結(jié)合疲勞試驗機、硬度計、光鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和EDS、XRD等手段研究兩種缺陷對三種不同表面硬度梯度的車軸鋼標準疲勞試樣疲勞性能的影響;再者，截取S38C車軸上含有表面淬火層的四點彎曲疲勞試樣，研究電火花加工缺口和人工壓痕分別對其疲勞性能的影響，同時，設(shè)計非標的方法評價了S38C車軸基

4、體和表面感應(yīng)淬火層疲勞裂紋擴展速率和門檻值。最后,對激光熔覆修復(fù)車軸表面電火花加工缺口和人工壓痕工藝進行了探索性研究。
　　本論文主要結(jié)論如下:
　　1.S38C車軸表面異物沖擊凹坑缺陷分為垂直撞擊形成的溝槽和切向撞擊產(chǎn)生的擦痕兩類，車軸表面硬化層組織為高密度位錯和晶格畸變的回火馬氏體，心部組織為純凈珠光體和鐵素體;
　　2.S38C車軸鋼人工壓痕標準試樣和電火花加工缺口標準試樣疲勞極限均隨著缺陷投影面積的增加而降低，

5、含有電火花加工缺口試樣的疲勞極限符合Murakami公式計算結(jié)果，人工壓痕試樣疲勞極限可用修正后的Murakami公式進行描述;
　　3.經(jīng)表面感應(yīng)淬火的S38C車軸鋼標準試樣疲勞極限均隨著人工壓痕尺寸的增大而降低，先淬火回火再引入人工壓痕標準疲勞試樣的疲勞極限降幅較大;
　　4.S38C車軸鋼氮碳共滲標準試樣疲勞極限相對于未處理試樣提高了12％，疲勞裂紋萌生于試樣表面疏松氧化層;人工壓痕造成化合物層破裂，疲勞極限隨著人工壓

6、痕尺寸增大迅速降低，直至低于未處理人工壓痕試樣;拋光去除氮碳共滲化合物硬層可有效降低人工壓痕對試樣疲勞強度的影響。
　　5.車軸表面淬火層的四點彎曲標準疲勞試樣的疲勞極限隨著電火花加工缺陷深度的增加而降低，人工鎢鋼球壓痕對試樣疲勞極限沒有影響。鎢鋼球破碎產(chǎn)生的二次壓痕底部具有微裂紋，試樣疲勞極限降低。表面回火馬氏體層的裂紋擴展門檻值為1.43MPa√m，遠低于基體的5.66MPa√m;
　　6.激光熔覆修復(fù)車軸表面凹坑缺陷帶

7、來的新缺陷導(dǎo)致試樣疲勞性能差異。
　　基于以上研究結(jié)果可知，對于塑形較好的S38C車軸鋼標準疲勞試樣，局部材料在人工壓痕形成過程中產(chǎn)生大量的位錯強化了缺陷處材料性能，可用引入強化常數(shù)Q修正后的Murakami公式預(yù)測含此種缺陷試樣的疲勞極限。對于表面感應(yīng)淬火回火形成的回火馬氏體，在受到塑形變形時晶粒納米化，塑形降低，受到?jīng)_擊時多方向剪切變形形成微裂紋。車軸表面淬火層裂紋擴展門檻值低于基體材料，在循環(huán)應(yīng)力作用下微裂紋極易擴展造成此類