CL65车轮钢滚动疲劳磨损研究

利用双盘滚动磨损实验机对CL65车轮钢与U75V钢轨钢进行滚动磨损实验,研究CL65车轮钢表面出现的疲劳磨损现象。实验表明:CL65车轮钢的磨损情况由黏着磨损不断向疲劳磨损过渡。机加工表面细晶层主要出现在磨损的初始阶段,疲劳磨损裂纹的形成和扩展出现在细晶层内或细晶层与基体的界面,导致了细晶层的早期疲劳剥离。随着磨损周次的不断增加,原始片状珠光体和先共析铁素体,基体区域表层的塑性变形不断加剧,当塑性应变过大时,疲劳裂纹开始萌生,并逐渐开始向先共析铁素体区域、渗碳体与共析铁素体界面扩展。

支承辊用Cr5钢线接触滚动疲劳性能

研究了940℃淬火450℃、535℃回火，两种热处理工艺下Cr5型支承辊用钢的线接触滚动疲劳性能，测定了其P-σ-N曲线。结果表明，Cr5钢450℃回火后硬度为51～52HRC的试样，比535℃回火后得到硬度为45～46HRC的试样能承受更高的疲劳应力。

低速重载工况下润滑介质对齿轮材料滚动疲劳的影响

根据实际工况简化实验模型并计算确定实验参数,选用20CrMnTi齿轮钢摩擦副在M-2000A摩擦磨损试验机上,并结合实时动态观察磨损形貌和在线监测温度2种手段,开展不同黏度润滑介质工况下20CrMnTi齿轮钢的滚滑摩擦疲劳失效机理研究。结果表明:L-CKD320油摩擦因数、磨损量及温度最小,润滑效果最好;L-CKD150油润滑时摩擦因数、磨损量及温度最大,润滑效果最差;L-CKD150油润滑下,疲劳剥落占主导;L-CKD320油润滑下,点蚀、黏着磨损占主导。

氧化物/尼龙1010复合材料滚动疲劳行为研究

以我国自主研制的尼龙1010为基体,氧化铁(Fe3O4)和氧化铜(CuO)为增强剂,进行氧化物/尼龙复合材料的滚动疲劳实验,研究氧化物/尼龙复合材料的滚动疲劳机制。通过实验发现周期性应力导致在材料临界深处形成显微裂纹和显微空穴成核,裂纹扩展导致形成片晶形磨屑,显微裂纹和显微空穴成核是剥层磨损的主要因素。氧化物颗粒割裂了尼龙1010的基体,在接触应力和摩擦热的复合作用下,表面金属氧化物颗粒由于复合材料表面界面疲劳开裂而剥落,形成表面疲劳。30%CuO/尼龙1010复合材料的抗滚动疲劳磨损性能最好,疲劳磨损量只有尼龙的70%左右;10%Fe3O4/尼龙1010复合材料耐磨性能最差,滚动疲劳磨损量是尼龙的2.4倍。

轴承钢内部起点型滚动疲劳的研究动向

1前言 以环保问题的深刻化为背景，促使机械产业使用的轴承钢技术发生急剧变化。轴承本是平滑传动动力的机械组件，有降低功率损耗的作用，可以减轻环境负载，其最重要的功能是发挥更优的滚动疲劳耐火性，为自身和降低环境负载作出更大贡献。最近，作为轴承钢技术，针对以汽车为首的各种机械，要求大幅小型轻量化。这样，就要求轴承钢面对更严酷的环境，发挥同等以上的寿命特性。滚动疲劳与滚动量件密切相关。至今，为了实现滚动零件的长寿命化，进行过许多研究。小滚动疲劳的破坏称剥离，它有图1所示的局部面状特征。滚动疲劳的寿命循环是将高循环疲劳摆在重要位置，和其他高循环的弯曲、拉伸、扭曲型疲劳相比，其原理和改善指标有许多模糊点。

小曲线钢轨滚动接触疲劳及车轴疲劳寿命分析

为探究小半径曲线上钢轨滚动接触疲劳伤损规律及车轴寿命,文章基于车辆系统动力学模型,对小半径曲线钢轨磨耗计算分析得到钢轨疲劳数据模型。针对小半径曲线的钢轨整个损伤过程进行滚动接触疲劳分析,同时也基于有限元分析简单预测CRH3型动车组在疲劳伤损的钢轨上运行时车轴的疲劳寿命。研究结果显示:(1)在小半径曲线曲中点处外轨主要体现轨距角处的侧磨,内轨主要体现轨顶处的垂磨,且外轨的滚动接触应力和损伤与内轨有显著差异;(2)轮对进行静强度分析得到车轴上轮座压装处应力最大;(3)结合车轴应力和载荷谱对车轴疲劳寿命进行预测,计算发现预测寿命约为11.8 a,车轴在已经产生疲劳磨损的线路上运行时寿命会大大缩减。

重载铁路小半径曲线内轨滚动接触疲劳机理研究

国内某重载铁路小半径曲线内轨发生严重的滚动接触疲劳及其所致剥离损伤,主要集中在内侧轨肩处。为揭示其萌生机理,在轮轨现场观测和列车参数调研的基础上,建立典型重载列车的动力学模型,并利用损伤函数与表面滚动接触疲劳指数,数值分析内轨滚动接触疲劳的主要影响因素。所预测的疲劳区位置、严重程度及裂纹扩展方向等均与现场观测吻合,并发现钢轨磨耗失形是滚动接触疲劳在内轨两侧轨肩处发生的根本原因。内轨内侧轨肩处疲劳由机车曲线通过行为主导,“Co-Co”式转向架中间轮对的贡献最显著,机车导向轮对与货车共同决定了内轨外侧轨肩疲劳。随着曲线半径R增大,轮轨间作用强度减弱,使得内轨疲劳的严重程度逐渐降低,两轨肩疲劳区向轨顶中心靠拢,并最终在R为1000 m左右时合为1个疲劳区,轨面剥离现象也趋于消失。

轴承钢滚动接触疲劳亚表面夹杂处损伤分析

轴承钢在滚动接触疲劳(RCF)中失效的主要原因之一是亚表面白蚀区(WEA)的形成.本文中从塑性应变累积引起剪切局域化新的角度对WEA进行了研究.通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型,研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化.研究表明,接触疲劳载荷引起的塑性应变局域化导致了剪切带的形成.剪切带的形貌、取向和应变与WEA的一致,表明WEA实际上是应变局域化的剪切带.晶体取向对WEA损伤的形成和发展有很大的影响,WEA仅在择优的晶体取向下形成.与软夹杂周围的剪切带和损伤演化不同,硬夹杂处的剪切带与夹杂相切,形成的4条剪切变形带将夹杂“包围”.剪切带内部处于高应变和低应力的状态,带中心处应变达到最大,随带宽两侧急剧减小,而中心处应力却最小,几乎为零,沿带宽两侧增大,这说明裂纹在剪切带内萌生和扩展.该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系,即裂纹是在WEA形成过程中因应变不协调产生,而非裂纹先产生,裂纹上下表面相互摩擦导致WEA形成.

机车车轮踏面滚动接触疲劳损伤检查方法研究

对于机车车轮踏面出现疲劳裂纹、麻坑、起皮、剥离等损伤现象的情况,需要通过检查损伤的特征来分析其产生的原因,从而有针对性地采取治理措施。通过总结现场经验,研究了机车车轮踏面滚动接触疲劳损伤检查方法,总结了“一擦拭、二观察、三触摸、四拍照、五记录”的操作步骤,设计了带有刻度的踏面检查样板,可为规范现场操作提供参考。

钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究

为研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响,基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行分析,现场测试打磨前后车辆通过该曲线的轮轨力,结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析。结果表明:钢轨打磨后,轮轨接触点集中问题得到缓解,轮轨接触应力、轮轨蠕滑力减小和轨面裂纹法向分力减小,实测轮轨力减小,相同载荷下对应的载荷循环数增大。各项指标较打磨前更有利于抑制钢轨滚动接触疲劳的萌生及扩展,轨面裂纹萌生寿命明显延长。打磨后3.5个月轨面裂纹未见明显发展,仿真计算结果与实际情况吻合良好。

稀土对GCr15轴承钢滚动接触疲劳中微点蚀的影响

机床轴承的服役性能与各部件间的摩擦学行为紧密相关,微点蚀是轴承发生精度寿命失效时在滚道表面出现的典型损伤.本文中采用球棒试验研究了油润滑时不同接触疲劳循环周次下稀土/普通GCr15轴承钢的滚动摩擦学行为.结果表明:不管是稀土GCr15轴承钢还是普通GCr15轴承钢,微点蚀的数量随着接触疲劳循环周次的增加而增加;不同的是,稀土GCr15轴承钢的微点蚀不仅浅而且较小较圆,普通GCr15轴承钢的微点蚀不仅深而且容易成片出现.开展的轴承台架试验也发现稀土轴承和普通轴承存在同样的微点蚀行为差别.从轴承钢的组织结构和碳化物方面讨论了稀土对微点蚀的影响,添加稀土使GCr15轴承钢中碳化物均匀地分布在基体中,有效地减少了液析碳化物的析出和大量网状碳化物的出现,从而降低了GCr15轴承钢在滚动接触疲劳中微点蚀的产生.

层流等离子体淬火对GCr15轴承钢的滚动接触疲劳及损伤性能的影响

为了提高GCr15轴承钢的滚动接触疲劳(RCF)性能,使用层流等离子体淬火(LPQ)技术对GCr15轴承钢表面进行了四种不同扫描速度(350 mm/min、550 mm/min、750 mm/min、950 mm/min)的等离子体淬火实验。用MJP-30滚动接触疲劳实验机对处理前后的试样进行RCF试验。采用激光共聚焦显微镜(VK-9710)、超景深显微镜(UDM,VHX-1000C,Japan)、扫描电子显微镜分析试样组织结构、成分、微观损伤形貌,对试样进行硬度测试,分析疲劳扩展机理。结果表明:由于LPQ的冷却速率及加热速率较快,试样表面产生淬火硬化区,形成细小的隐晶马氏体组织,表层硬度增大。硬化层厚度影响RCF扩展机理,硬化层厚度越深,疲劳寿命越长,LPQ使RCF寿命延长64%。

滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°~45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。

高洁净轴承钢GCr15滚动接触疲劳机制研究

通过对真空脱气工艺制备的高洁净轴承钢的化学成分、低倍组织、碳化物不均匀性、非金属夹杂物等冶金质量进行标准检测及评级,并利用Aspex扫描分析仪对钢中的非金属夹杂物的数量、类型、尺寸及洁净度指数等进行定量分析,结合滚动接触疲劳寿命试验结果,建立了非金属夹杂物与轴承钢接触疲劳寿命的关系。研究结果表明,高洁净轴承钢的w[O]≤0.0005%,w[Ti]≤0.0008%,大颗粒夹杂物DS≤0.5级,但仍是以夹杂物为主导的接触疲劳破坏机制,其中,氧化物类夹杂尺寸较大,并在夹杂物周围存在孔洞缺陷,易于造成应力集中形成疲劳裂纹。高洁净轴承钢中氧化物类夹杂的最大尺寸控制在10μm以下,4.5 GPa高接触应力下的额定寿命L_(10)达到1×10^(7)次以上,有望取代电渣重熔轴承钢用于高铁、高速机床主轴、风电主轴等高端装备领域。

波磨激励下的地铁钢轨滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为

针对地铁曲线段钢轨波磨与滚动接触疲劳损伤共存现象,在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了采用显式时间积分的瞬态有限元模型,分析钢轨短波波磨对其上滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为的影响。以我国某地铁R450 m圆曲线段低轨损伤为例,考虑21条长度15 mm、深度3 mm、倾角30°且等间距分布的半椭圆形裂纹,波长30 mm、波深范围为0.03~0.09 mm的典型短波波磨,分析在速度67.6 km/h、摩擦因数0.5和牵引系数0.1等条件下,导向轮对通过时低轨侧瞬态滚动接触行为和裂纹群瞬态扩展行为。结果表明:裂纹群对轮轨接触产生持续周期性激励,且造成法、切向动态轮轨力波动幅值远低于典型短波波磨;处于波磨激励下动态加载时段内的裂纹,其最大裂尖动态应力强度因子较无波磨工况更大,而在减载时段内则相对更小,整个裂纹群的动态应力强度因子结果呈现出与波磨几何相对应的周期性波动;当波深增加时,最大裂尖动态应力强度因子也相应增大。在波长30 mm、波深0.09 mm的波磨激励下,裂纹群内的等效动态应力强度因子最大值较无波磨工况增加了34.4%,采用文献中报道的裂纹稳态扩展速率Paris公式发现,对应裂纹扩展速率增加了179.3%。这意味着波磨会显著加速钢轨滚动接触疲劳裂纹的扩展速率,增加断轨风险,现场必须对波磨区段内的钢轨滚动接触疲劳裂纹给予高度重视。

重载曲线缓和段钢轨滚动接触疲劳机理

某轴重25 t运煤重载铁路半径580~1000 m的曲线入/出缓和段钢轨存在明显的滚动接触疲劳(RCF)差异现象,出缓和段的疲劳更严重.在轮轨现场观测和列车参数调研的基础上,使用Simpack建立包含2节内重联机车与108节货车的重载列车动力学模型,利用损伤函数模型数值分析入/出缓和段RCF差异的机理和主要影响因素.结果表明,RCF差异由货车曲线通过行为主导,货车中转向架导向轮对的贡献最显著,非导向轮对与机车的贡献相对轻微.在标准轮轨廓形匹配工况下,RCF差异不显著;待货车车轮磨耗失形后,钢轨磨耗失形对RCF差异的影响并不显著,轮轨蠕滑率/力在出缓和段比在入缓和段高是导致RCF差异的根本原因.磨耗后的货车转向架导向轮对与磨耗轨在小半径曲线上频繁地相互作用,是导致入/出缓和段钢轨RCF差异的主要原因.

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。