激光熔覆再制造产品疲劳寿命评估方法研究

摘要

随着中国轨道交通行业的高速发展，高速和重载列车的应用越来越多，在高速和重载条件下，轮轨间的机械疲劳和磨损尤为突出，因裂纹和磨损超限失效的车轮数量十分巨大，经济损失非常严重。如果能采用先进的再制造技术直接对报废车轮进行修复，使之重新应用到实际生产中去，不但可以节约能源，减少污染，而且还可以节省大量的时间和人工成本，创造重大的经济价值。 再制造的方法有很多，激光熔覆再制造技术由于具备基体热影响区小、稀释率低、热变形小、熔覆粉末合金多样化、熔覆层与基体易于实现冶金结合且易于实现自动化等优点而受到国内外学者的广泛关注，本文通过理论分析和实验验证相结合的方式对激光熔覆再制造产品疲劳寿命评估方法进行了研究，主要研究内容及创新点总结如下： （1）通过数值模拟和实验验证相结合的方式研究了激光熔覆热损伤的形成机理。首先对Q345R钢熔覆Ni60合金粉末的试件进行了残余应力检测、并对其进行了拉伸及疲劳特性试验，结果表明熔覆试件中存在较大的残余拉应力，且熔覆试件的抗拉极限及伸长率均比Q345R钢基体试件有所降低，而熔覆试件的疲劳寿命较之标准试件更是大幅降低，表明熔覆热损伤确实存在。 （2）在考虑裂纹闭合效应对疲劳损伤影响的情况下，对Chaboche提出的非线性连续疲劳累积损伤模型进行了修正，得到了疲劳累积损伤及再制造毛坯剩余寿命量化评估模型，并由对称循环拉压疲劳试验数据得出了修正模型的相关参数。通过二级加载（高低加载和低高加载）拉压疲劳试验对再制造毛坯剩余寿命评估模型进行了验证，结果表明模型计算值和试验值吻合良好。 （3）在考虑裂纹闭合效应及熔覆残余应力的情况下，对Chaboche非线性连续损伤模型进行了修正，并通过拉压疲劳试验获得了修正模型的相关参数，提出并建立了熔覆初始热损伤及热-疲劳耦合损伤定量评估模型。 （4）探索利用金属磁记忆技术检测激光熔覆初始损伤及热-疲劳耦合损伤，提出了定量表征激光熔覆初始热损伤及热-疲劳耦合损伤的磁记忆信号参量。 （5）采用修正的非线性连续损伤模型以及能量法对激光熔覆再制造试件的疲劳寿命进行了评估，建立了两种激光熔覆再制造产品疲劳寿命评估模型，并用建立的模型对激光熔覆再制造的高速铁路车轮进行了寿命评估，结果表明建立的模型可以满足工程需要。

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