基于近场动力学的裂纹扩展及轨面剥离掉块成因机理

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随着通过总重累积和裂纹长度的增加逐渐降低;轨面多裂纹情况下,通过总重增量低于8.8 Mt时,裂纹在荷载作用下主要发生沿长度方向扩展。通过总重增量超过8.8 Mt后,裂纹之间的次生损伤形成;而且,这种情况在轨面多条裂纹间距≤1.5 mm时较为显著,裂纹间距>1.5mm时,裂纹间的相互影响减小;轨面多条裂纹同时存在且裂纹间距≤1.5 mm时,通过总重增量达到一定程度(>10.0Mt),裂纹间的次生损伤形成剥离掉块,剥离掉块深度约为裂纹深度的1/2以上。

钢轨轨顶弯钩形滚动接触疲劳裂纹空间扩展特性研究

采用X射线断层扫描技术测量重载铁路钢轨轨顶面弯钩形滚动接触疲劳裂纹,根据非均匀有理B样条方法实现了曲面裂纹的空间三维重构,建立弯钩形裂纹的双曲面模型,提出基于扩展有限元的弯钩形曲面裂纹扩展预测方法,研究不同深度裂纹在空间上的扩展特征。结果表明,在轮轨接触荷载作用下,弯钩形裂纹的扩展是张开、滑开和撕开效应结合的复合开裂;对于深度较浅的裂纹,即尚未发生路径转变的1/3、1/2深度裂纹,其扩展明显;当裂纹扩展到一定深度、发生路径转变后,裂纹的扩展逐渐降低,形成明显的弯钩;裂纹尖端不同位置应力强度因子不同,空间上以一定角度呈“凸”字形不均匀发展;预测得到通过总重在100~150 MGT裂纹扩展长度最大为0.389 mm,扩展最快位置在裂纹尖端中部附近,转向后弯钩形裂纹扩展角度范围为15°~35°,与显微观测的实际裂纹接近。