U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为研究

摘要

我国铁路建设正向着高速化和重载化的方向迈进，由轮轨滚动接触而诱发的钢轨疲劳断裂将逐渐取代传统以磨损为主的钢轨损伤形式，成为钢轨失效的主要方式。U75V钢轨是我国铁轨主要用钢，在高速客运专线、重载货运线路和客货混跑线路上都有广泛的运用。因此，开展U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为的研究对保障铁路线路的安全运营具有重要的意义。
　　本文对U75V钢轨的疲劳裂纹扩展行为做了试验研究，具体开展的工作和得出的主要结论如下:
　　(1)用分级降载法测试了应力比为0.03、0.1、0.2和0.5时的U75V材料疲劳裂纹扩展门槛值△Kth，并用扫描电镜观察分析该区域的疲劳断口，探索疲劳断裂机制。研究发现疲劳门槛值△Kth随着应力比的增大而减小，疲劳断口分布凸条纹棱线并且伴随着穿晶小刻面特征。
　　(2)对取自U75V钢轨轨头L-T、S-T和L-S方向的正火热处理试样，开展应力比为0.03、0.1、0.2和0.5时的疲劳裂纹扩展试验，考察应力比和取样方向对裂纹扩展行为的影响。试验发现L-T和S-T方向的裂纹扩展受应力比的影响，其裂纹扩展速率随应力比的增大而增大，而L-S方向应力比效应不明显。相同应力比条件下，虽然L-S方向的Paris拟合常数n较其它两个方向略大，但是三个方向的n值的差异仍然是微小的。扫描电镜观察裂纹稳定扩展阶段的疲劳断口，发现裂纹扩展低速区的凸条纹棱线完整且呈细直的线条状。裂纹扩展高速区的凸条纹棱线不再呈现细直状，而是伴随弯曲变形和碎裂的迹象，断口可见二次裂纹及扇形河流状解理断面。
　　(3)对非正火热处理试样开展应力比为0.03、0.1、0.2和0.5时的疲劳裂纹扩展试验。发现这些试样的试验数据分散，即使相同应力比下，其裂纹扩展速率也并不一致。某些试样裂纹扩展速率在da/dN-△K双对数坐标下并不成直线，而是有所起伏。对这类试样的断口分析发现，扇形河流状解理断面在疲劳裂纹扩展的整个过程都有分布。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铁路的发展历史

1．1．1 重载铁路

1．1．2 高速铁路

1．2 钢轨损伤情况的演变

1．2．1 钢轨磨损损伤

1．2．2 钢轨疲劳损伤

1．3 疲劳研究的现状

1．3．1 疲劳裂纹的形成

1．3．2 疲劳裂纹的扩展

1．4 课题研究意义及研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第2章 疲劳裂纹在门槛值附近的扩展行为研究

2．1 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的影响因素

2．2 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的测试方法

2．2．1 用分级降载法测定疲劳门槛值△Kth

2．2．2 外推法估计疲劳门槛值△Kth

2．2．3 升降法测定疲劳门槛值△Kth

2．3 试验内容

2．3．1 试验设备

2．3．2 材料和试样

2．4 试验结果及分析

2．4．1 疲劳裂纹门槛值测试结果

2．4．2 门槛值附近断口形貌分析

2．5 本章小结

第3章 不同取样方向下疲劳裂纹扩展行为研究

3．1 试验内容

3．2 疲劳裂纹扩展速率

3．2．1 L-T方向疲劳裂纹扩展速率

3．2．2 S-T方向疲劳裂纹扩展速率

3．2．3 L-S方向疲劳裂纹扩展速率

3．3 不同取样方向裂纹扩展行为的讨论与比较

3．4 断口形貌分析

3．5 本章小结

第4章 非热处理试样的疲劳裂纹扩展行为研究

4．1 试验内容

4．2 疲劳裂纹扩展速率

4．3 热处理与非热处理试样裂纹扩展行为的比较

4．4 断口形貌分析

4．5 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 论文的主要结论

5．2 论文的主要创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果