车轮材料滚动磨损与接触疲劳损伤行为的试验研究

摘要

铁路运输的快速发展带来了列车车轮材料和运行工况的多样化，列车车轮的损伤问题日益明显。为了提高铁路车辆运行的安全性，则须对列车车轮的磨损和疲劳性能提出更高的要求，因此有必要针对列车车轮材料进行磨损和疲劳损伤机理的试验研究。本文利用JD-1轮轨模拟试验机分别研究车轮材料成分、列车运行速度以及车轮所受的横向力对列车车轮磨损和疲劳性能的影响，得到如下结论:
　　1.通过对四种不同化学成分车轮材料的耐磨性和抗疲劳特性进行比较分析，发现车轮材料的耐磨性随着含碳量的增加而增强，同时含碳量的增加对滚动接触疲劳敏感性的提高作用强于锰元素对于其敏感性的降低作用;车轮材料中的铬元素能有效的提高其耐锈蚀性;试验后车轮试件近表层硬度明显增加，并且其硬度值的分布规律可以用一个指数函数进行描述，在比较硬化规律曲线之间的差别时发现由硬化比、硬化层厚度和曲率半径函数面积构成的指标集能够很好的描述车轮试件近表层的硬化程度。
　　2.针对低速和高速工况下车轮的损伤行为进行了对比分析，发现两种工况下的磨痕表面均出现了非均匀磨耗，其表现为光滑区域和粗糙区域交替出现，粗糙区域的最大硬度值和硬化层厚度均大于光滑区域;但两种工况下的损伤行为有所不同，低速工况下两个区域间的损伤差异性均明显大于高速工况;拟合偏差法和固定比例法均可以确定试件近表层硬化层的厚度，但拟合偏差法更具有实际意义，并能为以后分析滚动接触试件近表层损伤厚度提供有益的参考。
　　3.针对前期试验中经常出现在模拟轮试件一侧的材料堆积现象，结合实际运营中出现的踏面碾宽损伤，考察了列车车轮在横向力作用下的损伤行为。结果发现模拟轮试件在横向力作用下的磨损可以分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区，其中塑性堆积区的损伤是以塑性变形和疲劳裂纹为主，疲劳损伤区的损伤是以疲劳裂纹和磨损为主，磨损区的损伤则是以磨损为主;当应力发生剧烈变化并且应力方向由高压力区指向低压力区时会出现材料的塑性堆积和疲劳裂纹，在横向力的作用下部分金属由接触区域延伸至非接触区域，形成金属延伸物，这与实际车轮的踏面碾宽损伤相对应;在较强的应力作用下，车轮试件近表层材料的晶粒发生了明显细化，在横截面上呈现为纤维状;车轮试件近表层材料沿横向力方向发生了明显的塑性变形和塑性流动，并且这两者可以通过剪切应变予以表达，同一深度的剪切应变与硬度值之间具有非常强的一致性，这种表征方法相比于硬度测量更加便捷，从而具有更好的适用性。
　　4.针对硬度测量数据的波动性和疲劳裂纹萌生的特有规律，考察了车轮材料在微观尺度上的非均匀性，并在此基础上进一步研究了疲劳裂纹的萌生规律。结果发现列车车轮材料的硬度值分布在微观尺度上具有非常明显的非均匀性，这种非均匀性与测量尺度相关，测量尺度越小，其非均匀性越明显;基于材料非均匀性的疲劳裂纹指数能进一步的描述疲劳裂纹的萌生概率，在评估车轮材料的疲劳性能时应充分考虑其非均匀性，并将最小的剪切应力极限作为材料的疲劳极限。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 列车车轮损伤

1．2．1 磨损问题

1．2．2 疲劳损伤问题

1．3 车轮损伤的影响因素

1．3．1 车轮材料

1．3．2 列车运行速度

1．3．3 轮轨间的作用力

1．3．4 其他因素

1．4 车轮损伤研究现状

1．4．1 列车车轮的异常磨耗

1．4．2 滚动接触疲劳和热疲劳

1．4．3 安定理论和棘轮效应

1．4．4 磨损与疲劳之间的关系

1．4．5 车轮损伤的研究方法

1．5 选题意义及研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第2章 模拟试验简介

2．1 试验设备及标定

2．1．1 JD-1模拟试验机简介

2．1．2 试验标定

2．2 试验参数的确定

2．2．1 垂向载荷

2．2．2 模拟轨转速

2．2．3 试验冲角

2．3 试验表征设备和方法

2．3．1 形貌表征设备

2．3．2 硬度值测量与处理

2．4 试验材料

2．5 试验过程

2．6 本章小结

第3章 车轮材料对车轮磨损和疲劳性能的影响

3．1 试验参数

3．2 宏观形貌

3．3 截面轮廓

3．4 磨损量

3．4．1 失重法

3．4．2 计算磨损量

3．4．3 耐磨性分析

3．5 磨痕形貌

3．6 塑性变形

3．7 硬度分析

3．7．1 横向硬度分析

3．7．2 硬度沿深度方向分布

3．7．3 硬度值随深度变化的经验公式

3．7．4 拟合结果

3．7．5 硬化层剧烈程度的描述

3．7．6 近表面硬化程度的比较

3．8 疲劳裂纹分析

3．9 本章小结

第4章 速度对车轮疲劳损伤的影响

4．1 试验参数

4．2 宏观形貌

4．3 轮廓和磨损量

4．4 磨痕形貌

4．5 塑性变形

4．6 硬度分析

4．6．1 硬度测量结果

4．6．2 硬度值随深度变化的拟合函数

4．6．3 硬化层厚度的确定

4．6．4 硬化层厚度比较分析

4．7 疲劳裂纹

4．8 损伤行为分析

4．9 本章小结

第5章 横向力对车轮疲劳损伤的影响研究

5．1 试验参数

5．2 轮廓与宏观形貌

5．3 磨损分析

5．3．1 磨损量

5．3．2 磨痕形貌

5．4 硬度值

5．5 塑性变形

5．5．1 塑性堆积区

5．5．2 疲劳损伤区

5．5．3 磨损区

5．6 疲劳裂纹

5．7 损伤分析

5．7．1 受力情况

5．7．2 材料塑性流动

5．7．3 材料损失

5．7．4 工作位置云图

5．8 本章小结

第6章 车轮材料的非均匀性及其疲劳性能的评估

6．1 材料非均匀性及其尺度效应

6．2 压痕法评估材料性能

6．2．1 基本理论

6．2．2 试验结果

6．3 维氏硬度值和屈服应力的关系

6．4 疲劳裂纹萌生理论

6．4．1 裂纹预测理论

6．4．2 基于材料非均匀性的萌生模型

6．5 疲劳损伤的评估

6．6 本章小结

结论与展望

1 本文的主要结论

2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果