U71Mn钢轨伤损机理研究

摘要

钢轨的失效一方面会增加铁路运输成本，另一方面会对行车安全造成极大的威胁。因此对钢轨表层损伤行为进行研究，对制定合理的钢轨维护措施具有重要的实践指导意义，合理的钢轨维护方案能够大大提高钢轨的使用安全性，延长钢轨的服役年限，降低铁路运输的运营成本。U71Mn钢轨是我国使用时间最长、最广泛的C-Mn钢轨，有较好的韧、塑性，尤其低温性能较好，焊接性能优良。目前对于这种钢轨伤损行为的分析较为不全面，因此本文基于这一点，利用维式硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜以及能谱仪等对服役后的U71Mn轨道钢的力学性能、显微组织和裂纹萌生及扩展情况等进行分析研究。主要成果如下:
　　(1) U71Mn钢轨在使用过程中表层各处受力不均匀，导致各处塑性变形程度不同，从而引起加工硬化程度的不同。轮轨在运行过程中处于两点接触的状态，主要接触区域在钢轨轨距角处和轨顶接触面上，因此钢轨表层硬度曲线中出现了两个峰值，分别在轨距角处和轨顶接触面上。钢轨轨距角处轮轨接触斑面积比钢轨轨顶面接触斑面积小，因而轨距角处的接触应力较大，因此钢轨表层轨距角处比轨顶面具有更严重的塑性变形程度，从而导致轨距角处具有更高的表层硬度以及较厚的硬化层。钢轨非接触区域的表面脱碳层使得此区域表层硬度较低。
　　(2) U71Mn钢轨表层中的剪切应力使得表层产生剪切塑性变形，当塑性应变积累到一定程度便会萌生裂纹，因此钢轨表层疲劳裂纹的萌生位置主要由最大剪切应力的位置决定。钢轨中最大切应力在距钢轨表面0～0.5b（b为轮轨接触椭圆斑短半轴）深度内，所以裂纹容易萌生于此深度内，钢轨与车轮之间的摩擦力越大，裂纹萌生的位置越靠近钢轨表面。钢轨表层中有较多非金属夹杂物MnS，对钢轨中裂纹的萌生有极大的促进作用。裂纹萌生的位置不同会引起不同的伤损形态，萌生于表面的裂纹使钢轨表面产生麻点剥落，而萌生于次表面的裂纹容易向钢轨内部扩展，引起剥离掉块或者是断裂。
　　(3) U71Mn钢轨中裂纹在钢轨轨距角处沿列车运行方向周期性出现，扩展倾角较小，当裂纹扩展到一定深度时，会出现二次裂纹。裂纹扩展初期以穿晶扩展的方式进行扩展，随着裂纹往深度方向扩展，扩展驱动力下降，裂纹便会以消耗能量较少的沿晶扩展的方式向前扩展。钢轨裂纹间隙中有较多氧化物，对裂纹扩展有一定的促进作用。

目录

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摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 钢轨材料

1．2．1 钢轨的生产工艺

1．2．2 钢轨的化学成分

1．2．3 钢轨的组织性能

1．3 钢轨伤损情况分析

1．3．1 钢轨侧磨

1．3．2 钢轨波磨

1．3．3 钢轨剥离

1．3．4 钢轨压溃

1．3．5 接触疲劳

1．3．6 影响钢轨伤损的因素

1．4 钢轨维护

1．4．1 钢轨润滑

1．4．2 钢轨打磨

1．4．3 轮轨匹配

1．5 钢轨伤损研究现状

1．5．1 国外钢轨伤损研究

1．5．2 国内钢轨伤损研究

1．6 课题研究意义及主要内容

第2章 实验材料及研究方法

2．1 实验材料

2．2 实验方案

2．2．1 实验流程

2．2．2 试样制备

2．2．3 显微硬度测试

2．2．4 显微组织观察

2．2．5 疲劳裂纹观察

第3章 U71Mn钢轨表层硬度及显微组织

3．1 引言

3．2 U71Mn钢轨的表层硬度

3．2 U71Mn钢轨表层的显微组织

3．2．1 U71Mn钢轨内部显微组织

3．2．2 U71Mn钢轨横截面的显微组织

3．2．3 U71Mn钢轨纵截面的表层显微组织

3．3 分析讨论

3．4 本章小结

第4章 U71Mn钢轨表层受力分析

4．1 引言

4．2 U71Mn钢轨表层接触压应力分布

4．2．1 U71Mn钢轨和车轮的接触状态

4．2．2 U71Mn钢轨表面接触斑上的压应力分布

4．3 U71Mn钢轨表层切应力分布

4．3．1 U71Mn钢轨接触中心切应力分布

4．3．2 U71Mn钢轨非接触中心切应力分布

4．3．3 U71Mn钢轨中切应力分布影响因素

4．4 分析讨论

4．5 本章小结

第5章 U71Mn钢轨中接触疲劳裂纹萌生及扩展机理

5．1 引言

5．2 U71Mn钢轨中疲劳裂纹观察

5．3 U71Mn钢轨中疲劳裂纹的萌生

5．3．1 夹杂物对U71Mn钢轨中裂纹萌生的影响

5．3．2 塑性变形对U71Mn钢轨中裂纹萌生的影响

5．3．3 U71Mn钢轨中的裂纹萌生机理

5．4 U71Mn钢轨中疲劳裂纹的扩展

5．4．1 U71Mn钢轨中疲劳裂纹扩展路径

5．4．2 U71Mn钢轨中疲劳裂纹扩展过程

5．4．3 U71Mn钢轨中的损伤形式

5．4．4 U71Mn钢轨维护方式

5．5 本章小结

展望

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读硕士学位期间发表的论文)