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《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉作为铁路轨道的重要组成部分，承受着列车运行过程中产生的巨大交变应力。
高锰钢因其良好的耐磨性和抗冲击性能，在辙叉制造中得到了广泛应用。
然而，高锰钢在长期使用过程中，由于交变应力的作用，容易产生疲劳裂纹，进而影响辙叉的使用寿命和安全性。
因此，研究高锰钢疲劳裂纹的扩展行为，对于提高辙叉的可靠性和使用寿命具有重要意义。
二、高锰钢的疲劳裂纹扩展机理高锰钢的疲劳裂纹扩展是一个复杂的过程，涉及到材料内部微观结构的变化和外部应力场的作用。
在交变应力的作用下，高锰钢内部会产生微小的裂纹，这些裂纹在应力场的作用下逐渐扩展，最终形成宏观的裂纹。
疲劳裂纹的扩展速率和扩展路径受到材料本身的性能、外部环境以及应力场的影响。
三、辙叉用高锰钢的疲劳裂纹扩展行为研究针对辙叉用高锰钢的疲劳裂纹扩展行为，我们需要进行一系列的实验和理论分析。
首先，通过开展疲劳试验，观察高锰钢在交变应力作用下的裂纹扩展过程，记录裂纹扩展的速率和路径。
其次，利用扫描电镜等手段，观察裂纹扩展过程中的材料微观结构变化，分析裂纹扩展的微观机制。
此外，还需要结合理论分析，建立高锰钢的疲劳裂纹扩展模型，预测裂纹扩展的趋势和影响因素。
四、实验方法与结果分析1. 实验方法：采用疲劳试验机对辙叉用高锰钢进行疲劳试验，观察裂纹的扩展过程。
利用扫描电镜等手段观察材料微观结构的变化。
同时，记录实验过程中的应力-时间曲线，分析应力对裂纹扩展的影响。
2. 结果分析：通过实验观察和数据分析，我们发现高锰钢的疲劳裂纹扩展过程受到多种因素的影响，包括材料本身的性能、外部环境以及应力场。
在交变应力的作用下，高锰钢内部产生微小裂纹，这些裂纹在应力场的作用下逐渐扩展。
随着裂纹的扩展，材料微观结构发生变化，导致裂纹扩展速率发生变化。
此外，我们还发现，在一定范围内，提高材料的强度和韧性可以减缓疲劳裂纹的扩展速率。
五、结论与展望通过对辙叉用高锰钢的疲劳裂纹扩展行为进行研究，我们了解了高锰钢的疲劳裂纹扩展机理和影响因素。
《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉作为铁路轨道的重要组成部分，其材料性能和结构稳定性直接关系到铁路运行的安全性和平稳性。
高锰钢因其优良的耐磨性和抗冲击性能被广泛应用于辙叉制造中。
然而，在实际使用过程中，由于长期受到周期性应力的作用，高锰钢辙叉容易出现疲劳裂纹，并可能导致材料失效和铁路事故。
因此，研究高锰钢在辙叉应用中的疲劳裂纹扩展行为具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、高锰钢的疲劳裂纹扩展理论基础高锰钢的疲劳裂纹扩展行为受到多种因素的影响，包括材料性能、环境条件、加载方式等。
本部分将对高锰钢的疲劳裂纹扩展相关理论进行梳理和介绍，为后续的实证研究提供理论支撑。
三、实验材料与方法（一）实验材料本实验选用某品牌高锰钢作为研究对象，对其在辙叉应用中的疲劳裂纹扩展行为进行研究。
（二）实验方法1. 试样制备：根据实际使用条件，制备高锰钢试样。
2. 疲劳试验：采用疲劳试验机对试样进行周期性加载，模拟实际使用过程中的应力状态。
3. 裂纹观测与测量：通过显微镜观测试样裂纹的形态和扩展情况，并使用测量设备对裂纹长度进行精确测量。
四、实验结果与分析（一）实验结果通过实验，我们得到了高锰钢在不同应力水平下的疲劳裂纹扩展数据，包括裂纹扩展速率和扩展路径等。
（二）结果分析1. 裂纹扩展速率分析：随着应力水平的提高，高锰钢的裂纹扩展速率逐渐增大。
分析原因，可能与材料在高应力水平下更容易发生损伤有关。
2. 裂纹扩展路径分析：高锰钢的裂纹扩展路径受到材料内部缺陷、晶粒大小等因素的影响。
在特定条件下，裂纹可能沿晶界扩展或穿过晶粒扩展。
3. 影响因素分析：环境条件（如温度、湿度）和加载方式（如加载频率、加载波形）等也会对高锰钢的疲劳裂纹扩展行为产生影响。
通过实验数据对比分析，我们可以找出影响裂纹扩展的主要因素。
五、高锰钢疲劳裂纹扩展的预防与控制措施针对高锰钢在辙叉应用中出现的疲劳裂纹问题，我们可以采取以下预防与控制措施：1. 优化材料选择：选用具有更高抗疲劳性能的高锰钢或其他材料，以提高辙叉的抗疲劳性能。
《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉是铁路轨道的重要组成部分，承受着列车运行时的重复荷载，因此其材料的选择和性能至关重要。
高锰钢因其良好的耐磨性、抗冲击性和抗疲劳性，在铁路辙叉制造中得到了广泛应用。
然而，在高强度和高负荷的工作环境下，高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为成为一个亟待研究的问题。
本文旨在研究高锰钢辙叉在疲劳荷载作用下的裂纹扩展行为，以期为提高铁路轨道的安全性和稳定性提供理论支持。
二、材料与方法1. 材料选择本研究选用某型号的高锰钢作为研究对象，该材料具有较高的强度和韧性，适用于铁路辙叉的制造。
2. 试验方法（1）疲劳试验：采用疲劳试验机对高锰钢试样进行循环加载，模拟列车运行时的荷载情况。
（2）裂纹扩展观察：通过金相显微镜和扫描电子显微镜观察裂纹的扩展过程，记录裂纹的长度、扩展速度等数据。
（3）力学性能测试：对高锰钢进行拉伸、压缩、硬度等力学性能测试，了解其基本性能。
三、结果与分析1. 裂纹扩展过程在高锰钢试样中，疲劳裂纹的扩展过程可分为三个阶段：初始扩展阶段、稳定扩展阶段和快速扩展阶段。
在初始阶段，裂纹长度较小，扩展速度较慢；随着循环次数的增加，裂纹进入稳定扩展阶段，扩展速度逐渐加快；当达到一定循环次数后，裂纹迅速扩展，直至试样断裂。
2. 裂纹扩展速度与荷载频率的关系研究表明，高锰钢的裂纹扩展速度与荷载频率呈正相关关系。
在低频荷载作用下，裂纹扩展速度较慢；随着荷载频率的增加，裂纹扩展速度加快。
这表明在高负荷、高频率的工作环境下，高锰钢辙叉的疲劳性能将受到严重影响。
3. 力学性能与裂纹扩展行为的关系高锰钢的力学性能对其裂纹扩展行为具有重要影响。
通过对高锰钢进行拉伸、压缩、硬度等力学性能测试发现，高锰钢的强度和韧性越高，其抵抗裂纹扩展的能力越强。
因此，在制造铁路辙叉时，应选择具有较高强度和韧性的高锰钢材料。
四、讨论与展望本研究通过实验观察和数据分析，深入探讨了高锰钢辙叉在疲劳荷载作用下的裂纹扩展行为。
《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉作为铁路轨道的重要组成部分，其材料的选择与性能直接关系到铁路运营的安全与效率。
高锰钢因其优良的耐磨性、抗冲击性及抗腐蚀性在铁路轨道中广泛应用。
然而，高锰钢在使用过程中会遭受疲劳裂纹的困扰，这些裂纹的扩展行为对辙叉的寿命和安全性具有重要影响。
因此，对高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究显得尤为重要。
二、高锰钢的特性和应用高锰钢作为一种重要的工程材料，具有较高的强度、韧性及耐磨性。
在铁路轨道中，高锰钢被广泛应用于制造辙叉等部件。
然而，在长期的使用过程中，由于受到列车运行产生的交变载荷作用，高锰钢部件容易产生疲劳裂纹。
这些裂纹的扩展和延伸将直接影响到辙叉的使用寿命和安全性。
三、疲劳裂纹扩展行为的研究方法为了研究高锰钢疲劳裂纹的扩展行为，可以采用多种研究方法。
首先，可以通过实验手段，对高锰钢进行疲劳试验，观察裂纹的扩展过程。
其次，可以利用数值模拟方法，对高锰钢的疲劳裂纹扩展进行仿真分析。
此外，还可以结合理论分析，研究裂纹扩展的机理和影响因素。
四、高锰钢疲劳裂纹扩展的行为特征高锰钢疲劳裂纹的扩展行为具有明显的特征。
在交变载荷的作用下，裂纹从初始阶段的小裂纹逐渐扩展成大裂纹。
在扩展过程中，裂纹的形状、扩展速度和扩展方向都会发生变化。
此外，裂纹的扩展还受到材料性能、环境因素和载荷条件等多种因素的影响。
五、影响高锰钢疲劳裂纹扩展的因素影响高锰钢疲劳裂纹扩展的因素较多。
首先，材料的性能对裂纹扩展具有重要影响。
高锰钢的强度、韧性、硬度等性能参数将直接影响裂纹的扩展速度和方向。
其次，环境因素如温度、湿度等也会对裂纹扩展产生影响。
此外，载荷条件如载荷频率、载荷幅度等也会对裂纹扩展产生重要影响。
六、研究高锰钢疲劳裂纹扩展的意义研究高锰钢疲劳裂纹的扩展行为具有重要意义。
首先，通过研究可以深入了解高锰钢的疲劳性能和损伤机理，为材料的优化设计和使用提供依据。
其次，通过对裂纹扩展行为的研究，可以预测辙叉的使用寿命和安全性，为铁路运营提供保障。
《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉是铁路轨道系统的重要组成部分，承受着列车反复运行带来的巨大压力和摩擦力。
高锰钢因其出色的耐磨、抗冲击性能，在辙叉制造中得到了广泛应用。
然而，在高强度和高频率的应力作用下，高锰钢辙叉常常会出现疲劳裂纹，这严重影响了铁路运营的安全性和效率。
因此，研究高锰钢疲劳裂纹的扩展行为，对于提高辙叉的耐久性和可靠性具有重要意义。
二、材料与方法1. 材料选择实验采用的高锰钢材料是从市场采购的标准产品，具有优良的机械性能和耐磨性。
该材料在制造辙叉及其他铁路部件中有广泛应用。
2. 实验方法（1）通过金相显微镜观察和分析高锰钢材料的微观结构；（2）采用疲劳试验机对高锰钢试样进行疲劳测试，模拟实际使用条件下的应力状态；（3）利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）技术，观察和分析疲劳裂纹的形态及扩展情况；（4）建立数学模型，研究裂纹扩展与应力、时间等因素的关系。
三、结果与分析1. 微观结构分析高锰钢材料具有均匀、致密的微观结构，有利于提高材料的强度和耐磨性。
然而，在高强度和高频率的应力作用下，材料内部可能会出现微小的缺陷，如夹杂物、气孔等，这些缺陷是裂纹扩展的起点。
2. 疲劳裂纹扩展行为在疲劳测试过程中，高锰钢试样表面出现了明显的裂纹。
随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，并呈现出一定的方向性。
SEM观察发现，裂纹扩展路径并非直线，而是在材料内部遇到了阻碍物后发生了转向或分叉。
这一现象表明裂纹扩展过程具有复杂的动态行为。
3. 裂纹扩展与应力、时间的关系通过数学模型分析发现，裂纹扩展速率与应力水平密切相关。
在高应力作用下，裂纹扩展速度较快；而在低应力作用下，裂纹扩展速度较慢。
此外，裂纹扩展速率还与时间有关，随着使用时间的延长，裂纹逐渐扩展并最终导致材料失效。
四、讨论高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为是一个复杂的过程，受到材料性能、应力水平、环境因素等多种因素的影响。
在研究过程中，我们发现以下几点值得关注：1. 材料内部缺陷对裂纹扩展的影响。
包钢U75V 钢轨疲劳及断裂性能分析Ξ田 勇,张 锦,张建军(包钢(集团)公司技术中心,内蒙古 包头 014010)摘 要:通过对新引进MT S810.23系统的熟练使用,对包钢产U75V 钢轨的疲劳性能,包括疲劳裂纹扩展速率、轴向疲劳性能及断裂韧性等性能进行了系统的检验分析,试验结果表明:包钢U 75V 钢轨疲劳、断裂性能满足铁道部标准要求。
关键词:U75V ;疲劳性能;轴向疲劳;裂纹扩展速率;断裂韧性;标准中图分类号:TG 11515+7 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2006)S0-0074-03A nalysis on the F atigue &Fracture Properties o f U 75V R ail o fB ao tou Steel Corp.TIA N Y ong ,ZH ANG Jin ,ZH ANG J ian -jun(T echnical C enter of Baotou Steel (G roup )Corp.,Baotou 014010,Nei Monggol ,China ) A bstr act :T h e paper introduces the fatigue pro perties o f U75V rails m ade in Baotou S teel C orp.,includ ing fatig ue crack g row thrate ,ax ial fatigue property and fracture toug hness measured by the MT S810.23sy stem imp orted recently.T he resu lts sh o w that th e fatig ue and fracture properties of U 75V rails o f Baotou Steel Corp.accord w ith th e dem ands o f the s tandard of the Ministry o f R ailw ay s. K ey w or ds :U75V ;fatigue property ;axial fatigu e ;crack grow th rate ;fracture toughness ;standard 钢轨是重要的轨道部件,铁道部标准中对钢轨产品的检验项目要求很多,其中TB/T2344—2003标准中规定的主要力学性能检测项目有拉伸、踏面硬度、落锤、疲劳性能、断裂韧性等性能[1],时速200km 客运专线60kg/m 钢轨暂行技术条件[2]及时速300km 高速铁路60kg/m 钢轨暂行技术条件等标准中还对疲劳裂纹扩展速率性能有检验规定[3]。
钢轨踏面裂纹的表面波B扫描成像检测
张在东;任明珠
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2011(033)009
【摘要】用超声表面波来检测钢轨踏面裂纹，设计和加工了具有不同深度的裂纹
试样。
采用频率为0．5MHz的表面波探头对裂纹试样进行B扫描成像检测。
为
克服钢轨中传播的多模式表面波导致检测图像分辨率低的缺点，采用对A扫描信
号移位叠加的方法对图像进行了处理。
此方法不仅能对表面裂纹进行较精确的定位，也能定性区分表面裂纹的深度。
【总页数】4页(P65-67,71)
【作者】张在东;任明珠
【作者单位】广州市特种承压设备检测研究院,广州510000;广州市计量检测技术
研究院,广州510000
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28;O242.21
【相关文献】
1.钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析 [J], 王建西;许玉德;曹亮
2.钢轨踏面斜裂纹低频表面波检测方法 [J], 门平;卢超;张在东;赵俊岩
3.用超声表面波检测车轮踏面损伤试验的研究 [J], 郑中兴;邓炼
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5.钢轨踏面斜裂纹超声表面波B扫成像检测研究 [J], 卢超;魏运飞;徐薇
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《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉作为铁路轨道的重要组成部分，其材料的选择与性能直接关系到铁路运行的安全与效率。
高锰钢以其良好的耐磨性、抗冲击性以及较高的强度，在铁路辙叉制造中得到了广泛应用。
然而，在长期的使用过程中，高锰钢辙叉常常会因为疲劳而产生裂纹，进而影响其使用寿命和铁路运营的安全。
因此，研究高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为具有重要的工程应用价值。
二、高锰钢的疲劳裂纹扩展机理高锰钢的疲劳裂纹扩展过程是一个复杂的多物理场相互作用过程。
其扩展行为与材料内部的微观组织结构、应力分布以及外部环境密切相关。
当辙叉在高频率的交变载荷作用下，其内部将产生周期性的应力变化，当这些应力超过材料的屈服极限时，便会在材料内部产生微裂纹。
这些微裂纹随着交变应力的持续作用而逐渐扩展，最终形成宏观的裂纹，导致材料的疲劳失效。
三、高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为研究方法为了研究高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为，可以采用多种方法。
首先，可以通过理论分析，建立材料的疲劳裂纹扩展模型，预测裂纹的扩展速率和方向。
其次，可以利用实验手段，如疲劳试验机对高锰钢试样进行疲劳试验，观察裂纹的扩展过程和形态。
此外，还可以借助先进的检测技术，如X射线衍射和电子显微镜等，对材料的微观结构进行分析，揭示裂纹扩展的微观机制。
四、高锰钢的疲劳裂纹扩展影响因素高锰钢的疲劳裂纹扩展受到多种因素的影响。
首先，材料的微观组织结构对裂纹的扩展行为有着重要的影响。
例如，晶粒的大小、分布以及晶界的性质等都会影响材料的力学性能和疲劳性能。
其次，环境因素如温度、湿度等也会对裂纹的扩展产生影响。
此外，加载条件如加载频率、应力幅度等也是影响裂纹扩展的重要因素。
五、高锰钢辙叉的抗疲劳措施为了延长高锰钢辙叉的使用寿命，需要采取有效的抗疲劳措施。
首先，可以通过优化材料成分和微观组织结构，提高材料的力学性能和抗疲劳性能。
其次，可以采取表面强化措施，如喷丸处理、激光熔覆等，提高材料表面的硬度和耐磨性。
《辙叉用高锰钢疲劳裂纹扩展行为的研究》篇一一、引言辙叉是铁路轨道的关键部件之一，其性能直接关系到铁路运输的安全与效率。
高锰钢因其良好的耐磨性、抗冲击性和抗疲劳性，被广泛应用于制造辙叉等铁路轨道部件。
然而，在高强度、高负荷的铁路运输环境下，高锰钢辙叉的疲劳裂纹问题日益突出，其裂纹的扩展行为直接关系到辙叉的使用寿命和安全性能。
因此，对高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为进行研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展机理高锰钢辙叉在长期使用过程中，由于受到循环载荷的作用，其内部会出现微小的裂纹。
这些裂纹的扩展与金属的微观结构、力学性能、环境因素等密切相关。
疲劳裂纹的扩展主要包括三个阶段：萌生阶段、稳定扩展阶段和快速扩展阶段。
在萌生阶段，由于材料内部存在微小的缺陷或杂质，循环载荷作用下，这些微小区域会首先出现应力集中，从而形成微裂纹。
随着循环次数的增加，这些微裂纹逐渐扩展，进入稳定扩展阶段。
在这一阶段，裂纹的扩展速率相对稳定，与材料的力学性能、环境因素等密切相关。
当裂纹扩展到一定程度时，进入快速扩展阶段，此时裂纹的扩展速度迅速增加，直至导致材料失效。
三、高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为研究方法研究高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展行为，需要采用多种研究方法。
首先，可以通过金属材料学的方法，研究高锰钢的微观结构、力学性能等基本性能。
其次，采用疲劳试验机进行疲劳试验，模拟实际使用过程中的循环载荷，观察裂纹的萌生、扩展过程。
此外，还可以利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段，观察裂纹的微观形态，分析裂纹扩展的机理。
同时，通过数值模拟的方法，建立疲劳裂纹扩展的数学模型，预测裂纹的扩展趋势。
四、高锰钢辙叉的抗疲劳性能优化措施为了延长高锰钢辙叉的使用寿命，提高其抗疲劳性能，可以采取以下措施：一是优化材料成分，通过合金化等手段提高材料的强度和韧性；二是改善制造工艺，提高材料的致密度和均匀性；三是采用表面强化技术，提高材料表面的耐磨性和抗疲劳性；四是加强维护和检修，及时发现并修复微小裂纹，防止其扩展。
第26卷第2期华 东 交 通 大 学 学 报V o.l 26 N o .2 2009年4月Journa l o f East Ch i na Jiao tong U ni v ers it y A pr .,2009收稿日期:2009-01-13基金项目:教育部博士点基金新教师项目资助课题(200802471003)作者简介:王建西(1979-),男,河南许昌人,博士研究生。
文章编号:1005-0523(2009)02-0001-07钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析王建西,许玉德,曹 亮(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804)摘要:根据试验观察的裂纹尖端特征,建立了钝形疲劳裂纹模型,以裂纹尖端位移为断裂参量,分析了U 75V 钢弹塑性情况下踏面疲劳裂纹扩展特性。
结果显示:踏面疲劳裂纹尖端有较大的塑性区,应采用弹塑性断裂力学理论分析踏面疲劳裂纹的扩展行为;裂纹尖端滑动位移受轮轨力、轮轨摩擦系数和裂纹面摩擦系数影响,其中裂纹面摩擦系数对裂纹尖端滑动位移影响最大。
裂纹尖端张开位移主要受轮轨力和轮轨摩擦系数影响。
利用塑性复合系数分析踏面疲劳裂纹扩展特性,认为踏面疲劳裂纹主要以Ñ/Ò复合型扩展方式扩展。
关 键 词:钢轨;弹塑性;钝形裂纹;裂纹尖端位移;复合裂纹中图分类号:U 213.42 文献标识码:A随着列车提速和重载列车的开行,钢轨轨面伤损成增加趋势[1、2]。
在钢轨轨面伤损中,钢轨踏面疲劳裂纹是其中一种重要的伤损形式。
钢轨踏面疲劳裂纹的产生不仅影响行车品质,甚至可能导致断轨,危及行车安全[3]。
为了分析疲劳裂纹的扩展行为,很多学者进行了深入的研究。
R ingsber g JW 等利用有限元[4、5],M akoto AKAMA 等利用边界元[6]采用线弹性断裂力学对疲劳裂纹的扩展行为进行了分析;李晓宇等分析了轮轨接触位置对应力强度因子的影响[7]。
这些研究中大都是分析了弹性状态下疲劳裂纹扩展特性,但试验研究发现裂纹尖端存在明显的塑性变形,裂纹尖端钝化[8、9]。
本文建立了考虑材料弹塑性特点的钝形踏面疲劳裂纹模型,对踏面疲劳裂纹扩展特性进行了分析。
这将为建立疲劳裂纹扩展速率模型提供依据,为制定预防疲劳裂纹的措施提供理论指导。
1 踏面疲劳裂纹模型踏面裂纹是轮轨反复作用的结果,而随着轮轨反复接触,轮轨产生磨耗,轮轨接触表面不断发生变化,轨顶圆弧会被磨成平面形状,这样可以把轮轨接触看作是一圆柱体作用在平面上,因此,假设轮轨接触是一种平稳接触,建立二维滚动接触模型来分析疲劳裂纹扩展特性。
文献[10]认为轮轨在轨顶接触时赫兹接触应力与采用弹塑性有限元计算的接触应力差异不大,因此,以移动荷载模拟车轮的滚动;轮轨接触应力为二维赫兹分布[11]:p (x )=P 01-x -e b 2(1)式中:P 0为最大接触应力;b 为接触半宽;e 为接触斑中心偏离裂纹口距离-3[e /b [3。
考虑轮轨接触的最不利情况,轮轨接触处于全滑动状态。
根据库仑摩擦定理计算,切向应力分布:q (x )=L s p (x )(2)式中:L s 为轮轨摩擦系数;p (x )为法向赫兹分布。
文献[8、9]试验研究发现裂纹尖端存在明显的塑性变形,裂纹尖端钝化,因此,在建模中要考虑裂纹尖端钝化。
文献[16]观察发现疲劳裂纹扩展角度在30b ~65b ,文中取裂纹扩展角度为A =35b 。
利用非线性各向同性随动硬化模型描述塑性应变状态下应力应变关系[12],建立了考虑U 75V 钢轨弹塑性特点的钝形踏面疲劳裂纹模型,如图1。
图1 疲劳裂纹模型采用通用有限元软件进行仿真计算,计算中采用四节点平面应变单元,整个模型共划分为31490个单元,图2为疲劳裂纹模型有限元网格。
在图2中裂纹尖端部采用较小的单元格,减小裂纹尖端部应力集中影响,提高计算精度。
同时裂纹面附近区域网格质量是影响裂纹面接触分析中收敛性的一个重要原因,因此在裂纹面附近区域也进行了网格细化。
图2 疲劳裂纹模型有限元网格2 断裂参量弹塑性断裂力学中断裂参量主要是J 积分和裂纹尖端位移。
J 积分只适用于单调加载情况[13],而轮轨接触中,车轮滚动中存在加载和卸载过程,因此,在疲劳裂纹扩展分析中不能采用J 积分作为断裂参量。
同时文献[14]认为疲劳裂纹尖端位移比J 积分更适合作为弹塑性状态断裂参量。
本文以疲劳裂纹尖端位移作为断裂参量,分析疲劳裂纹扩展特性。
根据文献[15]裂纹尖端位移分为裂纹尖端张开位移(C rack 2华 东 交 通 大 学 学 报2009年T i p Open D isplace m en:t CTOD)和裂纹尖端滑动位移(C rack T ip S li p D isplace m en:t CTSD),如图3。
图3 断裂参量定义图示3 裂纹尖端塑性区分析利用等效塑性应变描述裂纹端部塑性情况。
等效塑性应变是整个变形过程塑性应变的累积[12]。
等效塑性应变(E quivalent P lastic Stra i n :EPS):EPS =E P 0+Q 1023ÛE p B ÛE p 12d t (3)式中:E P0为初始塑性应变;ÛE p 为塑性应变率。
图3为P 0=1200M Pa ,L s =0.3,L c =0.3时等效塑性应变分布图。
从图中可以看出,裂纹端部有两个大的塑性区组成。
把图4中A 部分称为裂纹端部前方塑性区;把图4中B 部分称为裂纹面塑性区。
这两个塑性区都比较大,裂纹端部前方塑性区半径R a 与裂纹长度b 比值为0141;裂纹面塑性区半径R b 与裂纹长度b的比值为0124。
这两个塑性区尺寸大大超过线弹性断裂力学小范围屈服的限度[13],因此,应采用弹塑性断裂力学理论来分析踏面疲劳裂纹的扩展特性。
图4 等效塑性区图(P 0=1200M Pa ,L s =0.3,L c =0.3)图5 钢轨剥离掉块(P 0=1200M Pa ,L s =0.3,L c =0.3)从荷载加载过程分析,由于裂纹尖端应力集中而产生了裂纹端部前方塑性区,该塑性区先出现。
而裂纹面塑性区是在裂纹端部前方塑性区影响下,是裂纹面受力和轨面受力共同作用的结果。
这两大塑性区都可能是裂纹扩展区域。
裂纹在裂纹端部前方塑性区向轨头里面扩展,可能导致断轨;裂纹在裂纹面塑性区向轨面扩展,可能导致轨面的剥离掉块。
钢轨剥离掉块如图5所示[16],对比图4与图5,可以看出图4塑性区扩展方向和图5中裂纹扩展方向基本一致,而剥离掉块部分在裂纹面塑性区。
这说明踏面疲劳裂纹的扩展受裂纹尖端塑性控制,剥离掉块与裂纹面塑性区的塑性变形有关。
现场观察发现,在踏面出现疲劳裂纹后,继续涂油会加速剥离掉块。
这是由于在水或润滑液浸入裂纹时,水和润滑液的润滑作用会使裂纹面摩擦系数减小,使裂纹面塑性区变大,塑性累积加快,易造成该区域3第2期王建西,等:钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析图6 等效塑性区图(P 0=1200M P a ,L s =0.3,L c =0.1)因塑性累积超过材料韧性极限而断裂。
图6为裂纹面摩擦系数为011时的等效塑性应变图。
这时裂纹面塑性区比正常情况下裂纹面塑性区大113倍。
这样在荷载反复作用下裂纹面塑性区会很快扩展到轨面,当该区域塑性累积超过材料韧性极限就会断裂,造成剥离掉块。
4 断裂参量影响因素分析轮轨力、裂纹面摩擦系数和轮轨摩擦系数对断裂参量的影响各不相同,通过对10种工况的研究,分析轮轨力、裂纹面摩擦系数和轮轨摩擦系数对断裂参量的影响特点,表1为工况参数表。
表1 各工况下参数表工况最大接触应力/M Pa a /b 轮轨摩擦系数裂纹面摩擦系数110001100013013021100019001301303120001830130130412000183012013051200018301401306120001830130.0071200018301301058120001830130110912000183013014010120001830130150411 轮轨力的影响从图7可以看出,无论在何种轴重作用下,CTSD 与CTOD 变化趋势一致。
当轮载未接触裂纹口时,仅裂纹下面受力,裂纹成张开状态;随着轮载向裂纹口方向移动,C TSD 成减小趋势,CTOD 呈增加趋势;当荷载作用中心在e /b =-1时,CTSD 与CTOD 同时达到一个极值点;随着荷载逐渐作用在裂纹上,裂纹上下面同时受力,裂纹滑动方向反向,随着荷载逐渐向前移动,CTSD 呈增加趋势而CTOD 成减小趋势。
当e/b图7 不同轮轨力下断裂参量对比图4华 东 交 通 大 学 学 报2009年=-0.4时,裂纹完全闭合。
当e /b =0.6时,CTSD 达到最大值;荷载过了该点,裂纹滑动方向再次反向,这时CTSD 变化率很小,裂纹面处于粘着状态。
当e /b >2时,荷载完全不作用在裂纹面上方,裂纹面滑动方向再次方向,CTSD 呈增加趋势。
从断裂参量幅度来看,随着轴重的增加断裂参量幅度增大很多。
当最大轮轨接触应力从1000M Pa 增加到1200M Pa 时,CTSD 幅度增大了3215%,CTOD 幅度增大了4017%。
可见,轴重的增加加剧了钢轨伤损破坏;这就是提速线路开行重载列车后,钢轨伤损大幅增加的重要原因[2]。
412 轮轨摩擦系数的影响从图8可以看出,随着轮轨摩擦系数的增加CTSD 与CTOD 变化趋势与随着轴重的增加时的变化趋势基本一致,裂纹滑动方向经历了三次反转;在e /b =-1时,CTSD 与CTOD 同时达到极值。
但从断裂参量幅度来看,随着轮轨摩擦系数的增加,断裂参量增幅很大。
当轨面摩擦系数从012增加到014时,CTSD 幅度增加了多达24316%,CTOD 幅度增加了7315%。
轨面摩擦系数的变化改变了钢轨的应力应变状态。
根据文献[17]安定极限图,当轨面摩擦系数为012与013时,钢轨处于弹性状态,塑性区主要出现在裂纹尖端处。
而当轨面摩擦系数增加到014时,钢轨即将进入了棘轮状态。
同时在轮载作用下轨面出现了塑性区,轨面塑性区与裂纹尖端塑性区相连,使裂纹尖端位移显著增大了。
图8 不同轮轨摩擦系数下断裂参量对比图413 裂纹面摩擦系数的影响从图9看,无论裂纹面摩擦系数大还是小,断裂参量随轨面摩擦系数增大的变化趋势基本一致;裂纹滑动方向经历了三次反转,在e /b =-1时,CTSD 与CTOD 同时达到极值;但CTSD 与CTOD 随裂纹面摩擦系数的增加变化趋势不一样。
CTSD 受裂纹面摩擦系数影响比较大,当裂纹面摩擦系数小于013时,CTSD 增大幅度比较大;裂纹面无摩擦时的CTSD 幅度比裂纹面摩擦系数为015时的CTSD 幅度大417倍。
