两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比研究

摘要

对于光滑表面结构疲劳破坏，疲劳短裂纹萌生与扩展阶段占据了服役寿命的绝大部分。LZ50车轴钢是广泛应用于我国提速与重载轨道车辆车轴制备的钢材之一，在服役过程中所受载荷频率可能会发生变化，这可能导致材料疲劳性能因之而改变。但目前在载荷频率对材料疲劳性能影响方面的认识尚不统一，研究加载频率对LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为的影响具有重要的理论价值和工程意义。基于此，通过完成两种加载频率(15Hz和180Hz)下LZ50车轴钢材料光滑漏斗形试样的疲劳短裂纹复型试验，本学位论文开展了以下研究工作:
　　1.通过对复型结果观察和分析，结合材料的金相、随机硬度和机械性能测试，研究了两种加载频率下疲劳短裂纹萌生与扩展机理。观察发现:两种加载频率下，裂纹均萌生于硬度较小的铁素体晶粒内部或是晶界处;在微观短裂纹(MSC)阶段，主导有效短裂纹(DESFC)经历了两次显著降速，且两次降速时对应的DESFC尺度分别与铁素体等效直径和富珠光体带状结构间距尺寸相当;在物理短裂纹(PSC)阶段，DESFC扩展占据了主导地位，其尺度持续增长，微观组织的影响不再显著。
　　2.通过比较两种加载频率之间DESFC扩展率曲线和ESFCs密度曲线，可见各曲线很大程度上重叠，变化趋势基本一致，加之两种加载频率下疲劳试样断口形貌大致相同，加载频率的不同未对该材料疲劳短裂纹行为产生显著影响。但在MSC阶段，15Hz下试样的DESFC扩展率整体略高于180Hz下的试验结果，试验前后显微硬度分析表明，较低加载频率使材料能更充分地接受交变载荷的作用，有利于循环硬化进程的发展，导致材料局部区域韧度下降，脆性增加，形成更有利于裂纹扩展的条件，成为较低加载频率下短裂纹扩展率在MSC阶段略高的可能原因。
　　3.从总体拟合效果、与疲劳失效机制的一致性及尾部参量预测安全性三方面，对DESFC尺度、寿命分数和ESFCs密度三个特征参量进行了统计演化规律对比研究。最终结果显示两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹统计结果并无显著差异。
　　4.最后，基于考虑多种微观结构障碍对短裂纹扩展周期性影响的模型，对两种加载频率下典型试样试验数据进行拟合。从拟合效果来看，该扩展率模型较好的描述了试验数据，且能够反映出不同微观结构障碍对短裂纹行为的周期性影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 加载频率方面

1．2．2 短裂纹方面

1．3 研究内容

第2章 复型试验与结果观察

2．1 材料与试验

2．1．1 试验材料

2．1．2 材料金相、显微硬度及机械性能测试

2．1．3 短裂纹复型试验

2．2 短裂纹行为的观察与描述

2．2．1 术语约定

2．2．2 加载频率15Hz下短裂纹的萌生和扩展

2．2．3 加载频率180Hz下短裂纹的萌生和扩展

2．2．4 两种加载频率下DESFC扩展率及ESFCs密度对比研究

2．3 本章小结

第3章 两种加载频率下短裂纹行为统计演化特征

3．1 两种加载频率下DESFC尺度统计演化特征

3．2 两种加载频率下寿命分数演化特征

3．3 两种加载频率下ESFCs密度演化特征

3．4 本章小结

第4章 两种加载频率下短裂纹模型

4．1 LZ50车轴钢扩展率模型

4．2 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目