【摘 要】
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微动疲劳现象常见于汽车、轨道交通、机械工程设备、航空航天等领域。微动疲劳现象的产生会使得相接触的机械零部件疲劳损伤加剧,包括微观裂纹的加速萌生与扩展、接触区域的磨损程度加大、接触部件服役寿命大幅降低等不良情况。车轴作为铁路客货运车辆走行部的关键部件,对保障铁路车辆的安全运行有着至关重要的作用。探究EA4T车轴材料的弯曲微动损伤机理并研究其风险评估体系,对车轴进行有针对性的防护、延长车轴的服役寿命、
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目(51305364); 国家自然科学基金重大仪器专项(51627806); 牵引动力国家重点实验室自主课题(2019TPL_T01);
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微动疲劳现象常见于汽车、轨道交通、机械工程设备、航空航天等领域。微动疲劳现象的产生会使得相接触的机械零部件疲劳损伤加剧,包括微观裂纹的加速萌生与扩展、接触区域的磨损程度加大、接触部件服役寿命大幅降低等不良情况。车轴作为铁路客货运车辆走行部的关键部件,对保障铁路车辆的安全运行有着至关重要的作用。探究EA4T车轴材料的弯曲微动损伤机理并研究其风险评估体系,对车轴进行有针对性的防护、延长车轴的服役寿命、提高铁路车辆的安全性能有重要的参考与指导意义。本论文以EA4T车轴钢为研究对象,利用100 k N岛津电液伺服疲劳试验机和课题组自主设计的弯曲微动疲劳试验装置,对EA4T车轴钢材料进行了弯曲微动疲劳试验,根据试验数据构建了该车轴钢材料的S~N疲劳寿命曲线。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、电子探针显微分析仪(EPMA)、白光干涉仪(WLI)对试验样品的损伤区域进行微观分析,探究其损伤机理。而后结合层次分析法对EA4T车轴钢材料弯曲微动疲劳损伤进行风险评估体系的构建,获得主要结论如下:(1)EA4T车轴钢材料的弯曲微动疲劳寿命随着疲劳载荷增大呈现先降低后升高最终再降低的趋势。EA4T车轴钢的弯曲疲劳S~N曲线微动运行区域可划分为三个部分:部分滑移区、混合区和完全滑移区。微观裂纹在混合区萌生与扩展速度快,故试样在混合区的疲劳寿命最低;(2)在混合区,微动疲劳损伤区域近加载端一侧出现主裂纹,主裂纹近固定端一侧出现次裂纹,而靠近加载端一侧未出现裂纹。这是因为固定端一侧的变形能无法及时释放且由于主裂纹存在,使得材料塑性流动和塑性变形无法向主裂纹以右发展,变形能在靠近心部位置释放并萌生裂纹;(3)EA4T车轴钢弯曲微动疲劳试样的损伤区域均呈不对称椭圆形,损伤区靠加载端损伤程度最大,靠固定端其次,接触区中心损伤最为轻微,微动疲劳裂纹通常在靠近加载端位置萌生。试样的磨损体积、最大磨损深度以及氧化磨损程度都随着循环周次的增加而增大;(4)基于层次分析法求得权重得分为部分滑移区:0.6491861;混合区:0.1365806;完全滑移区:0.2042219;与算数平均值法和几何平均值法求得的权重得分情况相近。风险最小为部分滑移区,完全滑移区风险相对较高,风险相对最高的为混合区,这与EA4T车轴钢的弯曲微动疲劳S~N曲线的趋势相符合。
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