不同钢轨材料棘轮行为试验研究

棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一,分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律,对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同,开展了循环塑性变形行为试验研究,讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示:在试验涉及的四种钢轨材料中,热处理U78Cr V和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度;当棘轮应变初始值相近时,热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨;当峰值应力相同时,强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大,疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低,且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。     

U75VG钢轨钢与温度相关的循环塑性变形行为

采用单轴拉伸试验和循环塑性变形试验研究了U75VG钢轨钢在不同温度(25,300,600℃)时的单轴拉伸性能以及循环塑性变形行为。结果表明:在应变控制循环载荷下,25℃时U75VG钢轨钢表现出循环软化特性,300℃时在动态应变时效作用下表现出循环硬化特性,600℃时动态应变时效作用消失,表现出更明显的循环软化特性;在应力控制循环载荷下,U75VG钢轨钢在不同温度下均表现出明显的棘轮行为特征,棘轮应变速率随平均应力或应力幅的增加而增大,在300℃时棘轮应变演变呈现出准安定状态,在600℃时随着平均应力或应力幅的增加棘轮应变加速增大。     

聚醚醚酮的室温单轴棘轮行为

在室温下对聚醚醚酮(PEEK)进行一系列非对称应力控制的单轴循环棘轮变形试验,研究了应力水平、加载历史、应力速率和峰值应力保持时间对PEEK棘轮行为的影响规律。结果表明：PEEK在非对称应力循环加载下产生了明显的棘轮行为,棘轮应变包含可恢复的黏弹性应变和不可恢复的黏塑性应变;棘轮应变和棘轮应变速率均随着应力水平的增加而增大;PEEK的棘轮行为具有明显的加载历史效应,高平均应力的加载历史会抑制后续低平均应力循环过程中棘轮变形的发生,低平均应力的加载历史对后续高平均应力循环过程中的棘轮变形影响不大;PEEK的棘轮行为具有明显的时间相关特性,应力速率越低、峰值应力保持时间越长,棘轮应变越大。     

不同材料的室温单轴应变循环特性和棘轮行为研究

通过对U71Mn轨道钢和316L不锈钢室温下单轴应变控制和应力控制循环的实验研究，就两种材料的应变循环特性和棘轮行为进行研究和比较。讨论应变循环下应变幅值和平均应变的大小及其历史对应变循环特性的影响以及应力循环下应力幅值和平均应力的大小及其历史对棘轮行为的影响，同时还讨论了应变循环与应力循环间的交互作用。研究中着重对两种材料的循环特性进行比较，得到一些有助于进行合理本构描述的结果。     

汽轮机用3.5NiCrMoV钢和20Cr13钢的非对称应变疲劳行为与寿命预测

对汽轮机用3.5NiCrMoV贝氏体钢和20Cr13马氏体钢进行对称和非对称应变控制疲劳试验,对比研究其疲劳行为;采用基于对称应变疲劳参数的Morrow模型、SWT模型和Ellyin模型对非对称疲劳寿命进行预测,讨论模型的适用性.结果表明:3.5 NiCrMoV钢的非对称疲劳寿命不高于对称疲劳寿命,20Cr13钢的非对称疲劳寿命高于对称疲劳寿命;3.5NiCrMoV钢的对称和非对称循环应力相差较大,而20Cr13钢的对称和非对称循环应力相近;平均应力下降是非对称应变控制疲劳的共同现象,塑性应变变化是影响非对称疲劳寿命的主要因素;Morrow模型预测精度取决于应变比对疲劳寿命的影响,S WT模型不适用于非对称与对称疲劳循环应力-应变曲线相差较大的3.5NiCrMoV钢疲劳寿命预测,Ellyin模型对非对称与对称循环硬化趋势相近的20Cr13钢的非对称疲劳寿命具有较好的预测效果.     

N80Q钢的低周疲劳特性及寿命预测

在Instron 8862型疲劳试验机上对油井套管用N80Q钢进行完全对称循环载荷(平均应变为0)和非对称循环载荷(平均应变为0.5％和1.0％)下的低周疲劳试验,研究该钢的低周疲劳特性,并讨论了考虑不同因素的低周疲劳寿命模型的预测精度.结果表明:塑性应变能随应变幅的增大呈线性增长趋势,平均应变对塑性应变能几乎无影响;在对称载荷、不同应变幅(0.5％～2.0％)下以及非对称载荷、应变幅大于1.0％下,N80Q钢均无应力松弛行为,而在非对称载荷、应变幅小于1.0％时出现明显的应力松弛行为,且初始平均应力越大,应力松弛行为越明显;考虑最大应力、应力范围、应变范围以及平均应变影响的经验模型的预测精度较高,预测寿命主要分散在1.2倍分散带内.     

不同温度下15CrMoR循环塑性实验研究及低周疲劳寿命预测

在20℃,200℃,300℃和400℃下对15CrMoR进行了循环塑性行为和棘轮效应—疲劳交互作用的实验研究。不同温度下全寿命内循环塑性实验表明,非对称循环加载的大部分时段棘轮应变率基本保持稳定,后期接近失效阶段才急速增大。各温度下棘轮应变随平均应力、应力幅的增大而增大。低周疲劳寿命受平均应力和应力幅的共同影响,但应力幅的影响更大。与Coffin-Manson模型及Morrow修正模型相比,各温度下MSRS模型对材料疲劳寿命的预测更为准确。采用含温度参数的MSRS模型可较方便地预测不同温度下材料的疲劳寿命。     

中锰TRIP钢棘轮行为及其本构模拟分析

对中锰TRIP钢在室温下的单轴棘轮行为进行了实验研究,讨论了平均应力和应力幅值对材料棘轮行为的影响。在实验分析的基础上,建立了一个便于工程应用的循环塑性本构模型,对材料的单轴棘轮行为进行描述,并给出了模型参数的确定方法。将累积塑性应变和阶跃函数引入棘轮参数演化方程中,对本构模型中的背应力演化方程进行了改进。本构模型的预测结果与实验结果的对比表明,改进后的本构模型合理地描述了中锰TRIP钢的棘轮行为。     

P92钢的蠕变-疲劳损伤行为及蠕变-疲劳损伤本构模型的建立

对P92钢在600℃下进行应力和应变控制的蠕变-疲劳试验,分析了载荷水平、保载时间对蠕变-疲劳损伤的影响;结合应力控制下的蠕变-疲劳试验数据,在黏塑性统一本构理论框架下引入修正的Chaboche非线性随动硬化率及蠕变应变并考虑损伤演化规律,构建了基于Chaboche理论的耦合蠕变-疲劳损伤本构模型,模拟了P92钢的蠕变-疲劳循环曲线.结果表明:P92钢在600℃下表现为循环软化特性;在应力控制下,P92钢高位保载的损伤与平均应力呈正相关,而低位保载的损伤与平均应力呈负相关;在应变控制下,P92钢产生应力松弛行为,保载时间越长,应力松驰越明显;建立的蠕变-疲劳损伤本构模型可以较好地模拟P92钢的循环特性,对于蠕变-疲劳过程中应力模拟的最大相对误差为7.30％.     

6061铝合金室温与150℃单轴棘轮行为实验研究

在室温和150℃温度下对6061铝合金开展了系统的单轴应变控制循环和单轴非对称应力控制循环实验,讨论了6061铝合金的单轴应变循环特性和单轴棘轮行为。研究表明,6061铝合金的单轴应变循环特性受到应变幅值和平均应变及其加载历史等因素的影响;单轴棘轮行为依赖于应力幅值、平均应力及其加载历史,并随应力幅值和平均应力的增大而增加。     

P92钢的高温低周疲劳行为及寿命预测

采用RPL50型动蠕变试验机对P92钢进行630℃和不同应变幅下的低周疲劳试验,研究了P92钢的高温低周疲劳行为;基于塑性应变能密度与硬度、应力幅和低周疲劳寿命的关系,采用基于能量的硬度法对其低周疲劳寿命进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:P92钢是一种循环软化材料,其初始归一化应力幅随应变幅的增加而增加,且不同应变幅下的归一化应力幅均随循环周次的增加而降低;随着应变幅的增加,弹性应变幅保持稳定,塑性应变幅近似线性增加,软化率也相应增加,并最终稳定在0.3左右;硬度与应变幅满足良好的线性关系;基于能量的硬度法可以较准确地预测P92钢在630℃时的高温低周疲劳寿命,计算得到的预测寿命均位于试验寿命的±1.5倍标准偏差内。     

预应变奥氏体不锈钢S30408低温棘轮效应

利用凯尔测控EUM-25K20型拉扭疲劳试验机,在110 K下对S30408母材试件、含焊缝试件、无预应变、预应变8%、12%的试件进行了单轴棘轮效应试验研究。实验发现,母材试件与焊材试件的棘轮行为与平均应力、幅值应力及其加载历史密切相关。由于焊缝金属中少量铁素体的软化作用,焊缝试件的初始棘轮应变及小循环应力下的棘轮应变大于母材。但随着塑性变形的增加,焊缝金属中更高含量合金元素存在更为明显的强化作用,使得焊缝试件在较大循环应力下一定循环圈数后的棘轮应变小于母材。无论母材试件还是焊缝试件,棘轮应变随预应变的增加而降低,在较小的循环应力水平下,预应变可以完全抑制棘轮应变的累积。S30408在110 K下为率相关材料,棘轮应变随加载率的升高而降低。     

316L钢室温和中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究

通过对316L钢在室温和中温环境下应力控制的低周疲劳试验,得到若干有意义的试验结果,揭示和分析316L钢室温和中温环境下应力循环特性及棘轮行为随加载历史、加载名义应力范围和环境温度的变化规律,并在此基础七讨论动态应变时效(dynamic spain aging,DSA)的现象。研究表明,材料的应力循环特性依赖于温度和加载历史,棘轮行为依赖于温度、加载水平和加载历史,420℃是材料DSA强化显著的温度。     

15CrMo钢的蠕变-疲劳试验及蠕变回复行为

试验测试了500℃时峰值保持时间分别为0,2,5,10和20 min条件下15CrMo钢的蠕变疲劳性能,重点分析了材料在蠕变疲劳载荷下的变形行为和蠕变回复行为。结果表明,随着峰值保持时间的延长,材料的蠕变-棘轮总变形显著增加;当疲劳-蠕变存在峰值保持时间时,前一个循环中峰值保持结束时的应变值大于再次加载达到峰值时的应变值,存在一定的蠕变回复行为;峰值保持时间越长,15CrMo钢蠕变应变回复量越大,且相同保持时间下的蠕变应变回复量总体上保持恒定。     

内压圆筒斜接管在面内循环弯曲载荷作用下的棘轮效应研究

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对面内循环弯曲载荷作用下的20#钢内压圆筒斜接管进行了棘轮效应试验研究,发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变,且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向。对于所研究的结构,最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧。采用阶梯加载的方法获得了结构的棘轮边界点。利用修正的Jiang-Sehitoglu随动强化模型(MJS)对结构进行了循环塑性分析,并按日本三维有限元应力评价委员会(C-TDF)提出的等效塑性应变增量控制法确定了结构棘轮边界线,可用于评价结构的塑性安定性。     

GS-20Mn5钢非对称循环应力-应变本构模型及其应用

在实际工程中,机械结构件承受反复载荷时,内部往往是非对称的应力应变状态。在非对称循环加载条件下,材料不仅会表现出循环软/硬化特性,还会表现出平均应力松弛行为。这会影响其在循环稳定状态下的力学性能,进而影响结构在相应工况下承载服役的强度安全性。针对大型压机本体结构常用GS-20Mn5钢进行了单向拉伸及应变比R为0.5,应变幅0.20%、0.25%、0.27%、0.30%和0.40%的非对称应变循环加载试验研究,分别构建了基于单向拉伸试验结果的A-F随动硬化模型,以及基于非对称循环加载的Landgraf模型来描述其平均应力松弛特性,将其应用到Ramberg-Osgood公式中,结合A-F非线性随动硬化模型,建立了非对称循环加载条件下对应于循环应力-应变曲线的本构模型,并确定了相应模型参数。针对承受非对称循环载荷的某大型锻造液压机上横梁,应用所建立的本构模型分别进行了安定性数值分析,评估了其在循环载荷下的弹塑性强度安全性。结果显示,与采用单向拉伸条件下的A-F模型时的计算结果相比,采用非对称循环应力-应变本构模型时上横梁的安定极限载荷提高了约7%。     

多种循环加载制度下Q235材料性能试验

对Q235钢进行了变应力载荷幅值及不同预变形和载荷保持时间等条件下的循环加载试验,并分析了其力学响应和材料性能。研究结果表明：Q235钢在应力控制的循环加载过程中表现出明显的循环软化特性和棘轮效应,棘轮应变的大小主要取决于载荷水平;当循环载荷逐级增大时,前期的变形会导致后期的棘轮应变增大;而当循环载荷逐级减小时,后期的棘轮应变值取决于最大载荷时的棘轮应变,且棘轮应变率接近于零;当预变形的响应应力峰值小于后期控制应力峰值时,预变形对材料的棘轮效应具有抑制作用,且预变形量越大,抑制效果越明显;载荷保持时间延长会使材料的棘轮应变增大,棘轮应变率增大,从而加速材料失效。     

U71Mn钢轨振动疲劳寿命研究

随着中国铁路的快速发展,钢轨的服役寿命对于降低铁路运行成本、提升运营安全显得日益重要。以高速铁路常用的U71Mn钢轨材料为对象,研究其存在疲劳裂纹时不同初始应力强度因子条件下的振动疲劳寿命并分析其破坏机理。结果表明：不同初始应力强度因子对于U71Mn钢轨的振动疲劳寿命影响较大;振动疲劳裂纹在U71Mn钢轨当中的扩展机理与静态疲劳也有所区别。在疲劳瞬断区,振动疲劳断口河流花样更密集,韧窝更大更深;在疲劳裂纹扩展区,初始应力强度因子较大时低周疲劳损伤机制占主导,初始应力强度因子较小时则高周疲劳损伤机制占主导。     

7075铝合金的单轴棘轮行为

采用单轴拉压循环试验研究了T651热处理态7075铝合金在不同应力幅及平均应力下的棘轮行为,并对试验前后铝合金的显微组织进行观察与分析。结果表明:不同循环载荷下7075铝合金均表现出明显的棘轮应变累积特征;在循环初期,铝合金的塑性变形很明显,棘轮应变速率较大,这与铝合金中位错密度增大、位错弹性应力场增强、大量位错缠结的出现有关;随着循环次数的增加,塑性变形累积明显减小,棘轮应变速率呈近线性缓慢增加趋势;棘轮应变累积随应力幅或平均应力的增大而增加。     

PD3与U71Mn钢轨材料微观与宏观磨损性能分析

采用纳米压痕划痕仪与AFM,研究PD3与U71Mn钢轨微观力学性能与摩擦磨损特性,通过拉伸实验和JD-1轮轨模拟试验机研究2种钢轨的宏观力学特性与摩擦磨损性能。结果表明:2种材料力学性能在微观和宏观表现一致,即PD3钢轨硬度较大、抗压能力强,具有良好的抗磨损能力;U71Mn钢轨塑性高、韧性大,具有良好的抵抗疲劳的能力。微观实验结果显示,2种钢轨在载荷不大时都以磨粒磨损为主,随载荷增大,交变应力作用增强,受疲劳影响PD3钢轨划痕两侧出现沟纹;U71Mn划痕损伤在犁沟摩擦力作用下,产生塑性变形。微观与宏观实验结果具有一致性,对2种钢轨磨损特性的测量误差在5%之内,因此在一定程度上可以用微观实验来代替宏观实验研究钢轨材料的摩擦磨损特性。