（车辆工程专业论文）转速对车轮轮箍材料接触疲劳寿命的影响及损伤机制研究.pdf

北方交通大学硕士论文转速对车轮轮箍材料接触疲劳寿命的影响及损伤机制研究 摘要 3 9 37 3 8 接触疲劳损伤是一个比较复杂的课题，影响接触疲劳的因素很多。 本文考察了1 0 0 0 转分、2 0 0 0 转，分两种转速对车轮、轮箍材料接触疲劳 寿命的影响及接触疲劳损伤的机理，希望为我国铁路提速后车轮的研究 与开发提供一定的理论和试验依据。 一任纯滚动的条件下，经接触疲劳试验，并用统计方法对试验结果进 行处理，发现1 0 0 0 转分和2 0 0 0 转分两种转速对车轮、轮箍材料接触 疲劳寿命无显著影响。车轮、轮箍材料在滚动接触过程中破坏形式为浅 层剥落，疲劳裂纹萌生于亚表层。分析表明，裂纹萌生的驱动力是平行 于表面的切应力州，而不是最大切应力( 、刊疲劳裂纹萌生于 表面切应力的最大值( 葡小处，即接触表面下0 5 6 处，b 为 接触带半宽。 借助扫描电镜( s e m ) 和维氏硬度计，考察基体组织、亚表层组织、 内部裂纹的形貌和形变强化的特征，分析微观组织结构对接触疲劳裂纹 萌生和扩展的影响。研究表明，2 0 0 0 转分转速下形变强化效果强烈， 有益于抑制裂纹的萌生，但硬化层较浅，对抑制裂纹扩展不利，总体来 看对接触疲劳寿命影响不大。转速不同会改变滚动接触过程中的润滑状 态，转速高，润滑油挤压作用强烈，对抑制裂纹扩展不利，但高转速相 当于提高加载速率使裂纹又来不及扩展，这种矛盾作用也使接触疲劳 寿命变化不显著了 关键词：接触疲劳；车轮；轮箍；转速才：_ 以拐j 一加i 。 矿受荔搿昂 北方交通大掌硕士论文 转速对车轮轮箍材料接触疲劳寿命的影响及损伤机制研究 a b s t r a c t c o n t a c tf a t i g u ei sa c o m p l i c a t e dp r o b l e m t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e st h e i n f l u e n c eo ft h er o t a t es p e e do nt h ec o n t a c tf a t i g u e1 i f co ft r a i nw h e e la n d r i mi no r d e rt oo f f e rs o m ea c a d e m i ca n d e x p e r i m e n t a lg r o u n d f o rt h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fn e wr a i lw h e e l u n d e rt h et r a i n s p e e d i n c r e a s i n g a n dt h em e c h a n i s m o fc o n t a c tf a t i g u ei sa l s ob e e nd i s c u s s e d t h ed a t ao fc o n t a c tf a t i g u ee x p e r i m e n ta r eb e e nd e a l tw i t hs t a t i s t i c a l m e t h o d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et w or o t a t e s p e e d 1 0 0 0 r ma n d 2 0 0 0 r i m h a v e1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec o n t a c tf a t i g u e1 i f eo fr a i lw h e e la n d r i m s u r f a c ep i t so c c u rd u r i n gt h er o l l i n gc o u r s e s f a t i g u ec r a c k sa r en o t d r i v e n b y ( 1z y 4 5 ) t h em a x i m a ls h e a r i n gs t r e n g t h ，b u tb y ( 10 ) t h es u r f a c e s h e a r i n gs t r e n g t h ，a n df a t i g u ec r a c k si n i t i a t e i nt h ep l a c ew h e r e ( 1o ) t h e s u r f a c es h e a r i n gs t r e n g t hr e a c h e si t sm a x i m u m v i as c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e m i c r o s c o p ea n dh a r d n e s sm e t e r ， t h em i c r o s t r u c t u r e sw h i c ha f f e c tt h ei n i t i a t i o na n ds p r e a do fc o n t a c tf a t i g u e c r a c k sa r ee x a m i n e dc a r e f u l l y t h e r ea r ec o m p l e xi n t e r a c t i o na m o n gr o t a t e s p e e d ，s t r a i ns t r e n g t h e n a n dl u b r i c a t i v es t a t e t h e s ef a c t o r sm a k et h e i n f l u e n c eo fr o t a t es p e e do nc o n t a c tf a t i g u el i f es m a l l k e y w o r d ：c o n t a c t f a t i g u e ；w h e e l ；r i m ：r o t a t es p e e d 黄赛 铁路是霆涎经济黪支柱产整，车轮楚铁鼹极率车辚走行部的重要组 成部件之一，其质爨及性能的优劣对铁路事业的发展肖深刻的影响。 随着我国列车运行逋度的不断提高、载疆的不断加大以及高速列车 的研制与发震，对弼车苇轮的要求遣不叛提离。敬、嚣等辫羚鸯速烈车 运用豹实践表明，在高遮条 牛下，列车车轮主要的破坏形式为剥离( 接 触疲劳损伤) 和擦伤，如何提高车轮的接触疲劳性能怒摆程各个有志发 展高速铁路国家面前的个共同静课题。霞诧有必要辫车轮韵接舷疲劳 蛙能送行疆究。戈其是挝速成车轮的接触疲劳牲糍。 接触疲劳损伤研究怒一个非常复杂的课题。堪然从本质上讲，决定 材料接触疲劳性能的还怒材料本身的成分和微观结梅，僵怒影响零部件 接触疲劳链畿豹豁部毽綮氇缀多，有些弧裁因素甚至能起决定 乍用，比 如接触表面的光洁度情况、强化情况等等。但目前关于车轮材料接触疲 劳性能这方面的研究文献很少。我国高速列车、车轮还处于试带研究阶 段，对车轮奉孝瓣提速螽羧融疲劳谯能懿研究氇缀少。零文选取不露转速 下憋体车轮、轮箍材料的接触疲劳性能进行细致的研究，考察转速对车 轮材料的剥离损伤( 接触疲劳损伤) 的影响，希望为我国铁路列车掇速 后新型率轮的研稍与开发提供一定的瓒论和试验依据。 j 匕方交通大掌硕士论文 车轮及其损伤概述 第一章车轮及其损伤概述 车轮是铁道车辆的重要组成部件之一，它不但承受着机车车辆的自 重和载重，而且和钢轨、闸瓦及环境之间有着复杂的作用，是在承受着 极其复杂的应力状态下工作的。车轮又是机车车辆用钢量最大的部件之 一，每年都有大量的车轮钢被消耗掉，车轮质量的优劣直接影响着铁路 运输效率、经济效益和安全性。 1 1 车轮用材料 一般对车轮用材有以下要求：高抗拉强度；耐磨性；耐热性； 韧性；耐疲劳性能等。机械性能可由含碳量来调整，提高抗拉强度 可使材料硬度提高和耐磨性得以改善。随着抗拉强度的提高，屈服点也 有所提高，难以发生永久变形，从而疲劳性能也得到改善。所以说，抗 拉强度、耐磨性和抗疲劳性能是一组特性，而耐热性和韧性则是一组具 有与其相反作用的特性，例如，对于耐热裂性来说，希望能抑制淬火敏 感性，因此含碳量越低越好。韧性也是含碳量越低越好。美国、前苏联 各国、日本采用含碳量高的车轮，欧洲各国采用含碳量低的车轮。看 来不同国家对这两组特性的观点还是不太一致的，实践也表明含碳量的 高低各有利弊。 目前，日本高速车轮用材有s t y 8 0 t ( 轮箍) 、s t y 8 0 w 一1 、一2 s 、一2 r ( 整体辗钢轮) 碳素钢。其中s t y 8 0 w 一2 r 钢的化学成分及机械性能如表 卜1 、i 一2 所示。 表1 - i日本高速车轮化学成分x l cs im nps c u ls t y 8 0 w - 2 r0 6 0 o 1 5 0 5 0 0 0 4 50 0 4 5o 3 0 o 7 50 3 50 9 0 j 匕方变通大掌硕士论文 车轮及其损伤概述 表卜2 日本高速车轮机械性能 ii 抗拉强度o b m p ai 延伸率6 断面收缩率( d l s t y s o w - 2 rl9 6 1 i 1 4 2 5 2 表1 3 、卜4 为日本原国铁标准所规定的车轮材料的机械性能和化学 成分。表卜3 所规定的材料为电炉熔炼的镇静钢。用这类钢制成的整体 辗钢轮有轧制后不经热处理和经过淬火热处理的两钟( 见表1 5 ) 。此外， 根据淬火方法又分浅淬火( 断续淬火) 和深淬火( 轮辋淬火) 两种车轮。 热处理车轮主要是为了提高耐磨性。浅淬火车轮热裂敏感性小，用于踏 面制动的车辆；深淬火车轮则用于电动力车，内燃动车等牵引车辆上。 表1 - 3日本车轮钢的机械性能 牌号 抗拉强度吼m p a 延伸率6 断面收缩率( p s s w r l7 8 58i 6 以上1 2 以上 s s w r 2 s s w r 38 0 6 9 9 91 2 以上8 以上1 6 以上12 以上 表1 - 4日本车轮钢的化学成分 兀重量百分比( )备注 素 c0 6 0 0 7 5 s i0 1 5 0 3 5( 镇静钢) m n05 0 0 9 0 p0 0 5 以下，酸性电炉熔炼0 0 4 5 以下，碱性电炉熔炼 s0 0 5 以下，酸性电炉熔炼0 0 4 5 以下，碱性电炉熔炼 c u不应超过0 3 0 表1 - 5日本整体车轮的种类和组织 种牌号简称踏面热处理踏面硬度踏面组织 类 ( h s ) 1 种 s t y 8 0 w - 1a r ( 轧制状态) 无 3 4 3 6珠光体 s t y 8 0 w - 2 ss q ( 断续淬火)淬火回火3 7 4 5细珠光体 2 种s t y 8 0 w - 2 rr q ( 轮辋淬火)淬火回火4 6 5 2索氏体 表卜6 为美国( 美国铁路协会) 和欧洲( 国际铁路联盟) 所用车轮 2 j 匕方交遥太攀磺士论： 车轮及其攘携摄述 的材料。 表 8敬测晷际铁蹲联盟( u l e ) 、美躺铁路拇会( a a r ) 车轮钢化学成分 i cs im nsp c rc um o n iv c r + m o + 1 n i + c u 0 4 81 2 0 。iu i c 0 5 0 0 ，0 40 0 40 3o 3o 0 50 30 5 0 6 50 8 0 0 5 00 1 50 5 01 a a r j 0 8 s0 3 50 9 00 0 5番0 5 j 法国t g v 列车丽的车轮钢为u i c 8 1 2 - 3 标准的r 7 、r 8 。经运行试骏发 现，这蹲零中材料在性能上没穗太大差异。其化学成分和机械性能如表 卜7 、表1 8 所示。 表1 7t g v 车轮用钢的化学成分 ( c r + m o + n i + c u 0 0 6 ) i 材料钢 cs im npsc un i c r ￥ !种 f r 7 0 5 20 4 00 8 0 o 。0 40 0 40 3 0o 3 00 3 0 0 0 5 f 勰 0 5 60 4 00 8 0 o 0 40 0 40 3 0o 3 00 3 0 o 0 5 表i 一8t b v 车轮用钢的机械性能 i 钢材科 抗拉强度吒m p a 延悻率s l； 串击功诺k 1 ir 78 2 0 1 413 0 4 f r 8 8 6 01 3l 3 0 4 车轮的结构、形状、尺寸、材质是多种多样的嘧1 。按用途可以分为客 车麓、货车鬻、梳车惹牵轮。按维掩分霄整髂轮与轮薤耱。轮缝轮又可 以分为铸钢辐板轮心、辗钢辎板轮心及铸钢辍条轮心的牵轮。整体轮按 其材质又可分为辗钢轮、铸钢轮等。辗诵整体轮简称为辍锈轮，是国钢 键或轮坯经攘热辍耗悉残，势经过淬火热处攥，耳瓣有饿罗期、日本及 欧洲多数国窳采用辗钢轮。1 。为降低噪皆，减小簧下质擞，国外还采用 弹性车轮( 纤维复合材科车轮) ，消音率轮、超皱辎板车轮等新型擎轮。 ! 兰塑苎兰查竺墨圭塑查 塞丝墨苎塑堡塑鲨 _ - _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ w _ _ - h _ _ _ h _ _ - 一一一_ 。一目前，世界各国采庵的最多的是辗钢轮，然两铸钢轮也已经大量用 予铰鼹运输“1 。美国孚程6 0 7 0 肇代就大力键稻铸镶轮溯。随着冶炼菝 术与浇注工艺的发展，美国g r i f 公司和a b e x 公司先后研制了采用石墨 模为铸模，车轮辐板为深弦形的新溅整体铸钢轮，其成分见表l 一9 。美 藿铸镶轮援零瓣改遥有三令方露“l ： 应用有限元法优化设计车轮辐板外形，使车轮具有最合理的几何 外形，车轮应力达到最佳分布： 褒焉嚣力浇注石爨铸鍪铸造牵轮缒先逡工艺； 运用先避热处理殿表面处理技术提高率轮性能。同时采用超声波 探伤、磁粉检验等先进技术来检测车轮的损伤情况。 强兹，美灏酌铸钢轮瞧能已经遮到辗钢轮豹同等承平，著盈铸钢轮 生产成本低，能耗少，缀济效益商。因此在美国出现了铸钢轮代替辗钢 轮的趋势。实践发现铸钢轮的早期失效率明显低于辗钢轮。进入9 0 年代 鞋_ 泉，美嚣瑟蠢薮建豹豢车、货车、洼攘车譬凝车车辆都采矮毅羹整体 铸钢轮，并且已经逐步用于重载高速列车上。9 0 年代后期，由于采用新 型熬体铸钢轮，美国铁路部门估计每年因减少恧换车轮和节约能源两项 可节约i 3 l 钇美懑。 除美国生产和使用铸钢轮外，加拿大、墨西哥、南非、印度、澳大 利戏等国也都广泛采用熬体铸钢轮。 表1 9美国铸钢轮化学成分 类别cs i m nps c r n ic ua l 蛮物0 8 70 3 9o ，6 90 0 l ?0 0 2 60 0 8 20 0 3 80 0 7 90 0 1 4 a a r ( c 竣)0 8 7g 8 m - 2 0 8 - 8 3 0 1 5 o 0 50 0 5 0 7 7o 8 5 0 5 00 170 6 0 t b l o l 3 - 6 3 o o s0 。0 40 2 00 2 5o 2 5 0 7 0 。3 71 0 除了钢制率轮，还出现了铸铁车轮和纤维复合材料车轮。芬兰 k y m i - k y m e n e 公司开发滋一耱铸铁车轮，这秘车轮熬耪辩被舔必 k y m e n i t e 。试验表明，k y m e n i t e 材料具有耐磨性好( 黼于法国t g v 系 列的r 8 ) ，接触疲劳强度高，抗冲击性能高，但不能与闸瓦配合使用， 4 ! 兰查奎兰大掌硕士论文车轮及其损伤概述 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - h - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - 一 这是因为制动产生的热量会影响踏面表面的硬化过程，从而加剧磨损。 德国梅萨一史密特公司8 0 年代就已经开始对纤维复合材料车轮的可 行性进行研究，研究表明这种车轮至少能减轻簧下重量2 0 ，降低运行 中的噪音并且缓和轮、轨接触点的冲击。日本也在进行这方面的研究， 并对采用纤维增强塑料轮心的车轮用油压机进行上下、左右、前后方向 的动载试验以及噪声试验，试验结果是噪声降低了l o 分贝”3 。目前这种 车轮已经通过各种室内试验，但还有许多实际问题有待解决，尚未考虑 装车运行。 1 2 我国车轮发展概述 目前我国采用整体辗钢轮和少量的轮箍轮以及整体铸钢轮。 辗钢轮具有强度高、韧性好、自重轻、安全可靠，运用中不会发生 轮箍松弛和崩裂故障，适应载重大和运行速度高的要求；维修费用低， 轮缘磨损过限后可以堆焊，踏面磨损后可以旋削，能多次镟修使用等优 点，所以它是我国铁路车轮上采用的主型车轮。但辗钢轮制造技术比较 复杂，设备投资大，踏面的耐磨性不如轮箍轮的轮箍好，同时还往往呈 现轧制的各向异性。我国辗钢轮用钢材牌号为c l 6 0 和c l 6 5 ，其化学成 分和机械性能见表卜1 0 、卜1 1 。 表1 1 0辗钢轮化学成分 l 牌号碳硅锰硫 l磷 l c l 6 0o 5 0 0 6 0o 1 7 0 3 7o 5 0 o 8 0 o 0 4 5i 0 0 4 0 l c l 6 5o 5 5 o 6 5o 1 7 o 3 7o 5 0 0 8 0 o 0 4 5 i 6 3 781 9 6 0 70 3 71 00 0 50 0 5 轮箍轮又称带箍轮或有箍轮，由轮箍、轮心和扣环组成。从车轮的 工作性质而言，这种结构比较合理，轮箍是用平炉优质钢( 化学成分： 碳一o 5 5 0 7 0 ；锰一o 6 0 0 9 0 ；硅一0 1 5 0 3 5 ；硫和磷都 不大于0 0 5 ) 辗压而成，强度高，耐磨性好；轮心用含碳量比较低的 a 3 钢铸造，韧性好，耐冲击。但是由于轮箍和轮心是组合式的，在运行 中容易产生轮箍松弛和崩裂，严重威胁行车安全，且轮箍、轮心的机械 加工量大，烧嵌工作量多，修理费用高及自重大等缺陷，故目前已经很 少使用。 我国于1 9 6 4 年开始由马钢独家生产辗钢轮。“六五”以前，马钢提 供的车轮在数量和质量上基本能满足铁道部的需求。“七五”以后，随着 车辆修造所需车轮数量的不断增加，车轮缺口越来越大，每年缺1 31 3 万吨，铁路工厂出现了“以轮定产”的严重局面。据有关部门统计，1 9 8 8 年车轮缺1 33 6 万吨；1 9 9 3 1 9 9 5 年间缺口约1 0 万吨，只能依靠进口 来弥补国内车轮的不足。可以说，国内车轮的供应状况已严重约束我国 铁路事业的发展。 而随着我国机车车辆运行速度的提高和载重量的不断加大，轮轨间 的作用力将明显加大，客观上也要求对新型车轮进行研制和开发。 北方交通大掌硕士论文 车轮及其损伤概述 自1 9 9 l 以来，按照铁道部的安排，铁道部四方车辆研究所在马鞍山 钢铁股份有限公司、铁道部马鞍山材料监测所的协作下，借鉴法国t g v 车轮采用u i c 系列的r 7 、r 8 所取得的成功经验，从我国实际情况出发， 先后按照c l 6 0 、r 7 和r 8 这3 种材质进行了2 5 0 k m h 、3 0 0 k m h 、2 0 0 k m h 高速辗钢车轮的研制o3 ，该3 种材质的化学成分和机械性能( 实测值) 对比见表1 一l3 、卜1 4 。结果表明，所研制的车轮具有足够的结构强度和 运行安全性，能满足我国高速运输发展的需要。 表1 1 3高速辗钢车轮材质化学成分对比( 实测值) 【种类 cs insp f r 7 ( 2 0 0 k m h )o 5 10 2 30 7 00 0 1 1 0 0 1 2 r 8 ( 3 0 0 k m h ) 0 5 5 0 2 80 7 30 0 0 9 60 0 1 0 lc l 6 0 ( 2 5 0 k m h )o 5 70 1 90 6 20 0 1 8 o 0 2 1 表i - 1 4高速辗钢车轮材质机械性能对比( 实测值) 种类 抗拉强度a b 延伸率6硬度 冲击功k m p a i u b j r 7 m ( 2 0 0 k m h ) 8 9 52 22 6 1 2 5 0 r 8 ( 3 0 0 k m h ) 9 2 01 72 9 2 2 0 c l 6 0 ( 2 5 0 k m h )1 0 4 01 4 2 9 72 3 国内自1 9 8 5 年也开始了对新型整体铸钢轮研制的酝酿和论证。1 9 9 0 年1 1 月至1 9 9 1 年4 月，铁道部大同机车厂参照美国铁路协会标准 ( a r r m 2 0 8 8 3 ) 先后试制了一百多个符合a r r 标准的b 级车轮，成分见 表卜1 5 。通过试验研究发现”，这些铸钢轮力学性能在强度、硬度、塑 性上达到了g b 8 6 0 1 8 8 对c l 6 0 a 级整体辗钢轮的力学性能要求，其轮辋 的力学性能达到了目前国产辗钢轮的实际性能水平，并且发现，试制轮 的夹杂物大都以圆形粒状存在，没有链状氧化物，这种夹杂物分布形态 优于辗钢轮。初期试制轮有一定的一般疏松和中心疏松现象，后期试制 轮则有了很大的改善，而且试制轮的轮辋组织还有很大的改善余地，初 步证明该批试制轮性能完全符合要求。试制轮与辗钢轮、美国铸钢轮的 力学性能比较见表i 一1 6 。 j 匕方交通大掌硕士论文 车轮及其损伤概述 表卜1 5 试制轮的化学成分( ) 车轮编号 cs i m nsp 备注 0 0 1 5o 5 7o 2 9 o 6 30 0 3 40 0 2 4 0 5 40 6 70 4 70 7 3 0 0 1 30 0 2 5 1 0 l0 5 90 3 2 0 6 4o 0 2 80 0 3 0 美国b 级0 5 7 0 1 50 6 0 0 0 50 0 5a a r m 2 0 8 8 轮0 6 7o 8 5 c l 6 0 a 级 0 5 5 0 1 7 0 5 0 0 0 4 00 0 3 5g b 8 6 0 l - 8 b 0 6 50 3 70 8 0 表卜16 试制轮与辗钢轮、英国铸钢轮的力学性能比较 试验取样抗拉强度延伸率断面收缩率硬度 仃b m p a 6 ( d h b 试制轮1 1 5 4 1 23 l2 2 9 a标准 9 1 0 1 1 5 58i 42 5 5 c l 6 0 级实际 1 0 0 01 53 0 2 7 4 ( 货车) b标准8 6 0 1 0 9 0 i 0i 4 2 4 8 级 实际9 9 5 1 53 0 52 8 2 美国c 级铸钢轮 8 7 91 41 82 5 0 1 3 车轮损伤概述 车轮在运行过程中承受复杂的负荷。车轮除受自身的重力作用之外， 与钢轨、闸瓦及轮座之间还存在相互作用： 车轮与钢轨的作用，可以分为垂直载荷和水平载荷。垂直载荷在 线路上动态实测非常困难，一般采用赫兹公式进行简化计算。另外，车 轮通过道岔时也会受到冲击载荷作用。水平载荷主要产生滑动摩擦力的 效果，车轮通过弯道时的离心力会给车轮带来水平载荷，蛇行运动也会 给车轮带来水平载荷。 车轮与闸瓦的相互作用，在闸瓦踏面制动下车轮会产生热疲劳损 伤。 轮座与轮毂之间的相互作用。正常情况下，车轴与车轮的过盈配 合所产生的变形应该处于弹性范围，对车轮来说，会产生圆周拉伸应力 和径向压缩应力：当车轴产生温升而膨胀时，轮座与轮毂之间的作用力 剧增，会导致配合的松弛，产生热轴。 车轮在使用中的主要损伤形式有“”： g 北方嶷通太墩硕士论文雄轮疑其损伤檄述 磨损，主要有踏面磨损和轮缘磨损两种。踏面磨损主要是由予垂 宣载荷作用与滚动摩擦形成的磨损，滑动成分很少。据掖道，滑动蠢2 弼 的踏匿黪损耩予正常，箕镟修蠹不大。轮缘磨攒是率辆邂过弯遴，以及 车辆豹瓣行遮动莘翼横爨载蕊作用下懿滂凌瘗撰疑导致兹。 辅扳裂纹。从於嚣的翅度看，辐板裂纹主娶是由予轮轨相囊 乍用， 车轮受到水平作用力( 横向力) 所致；从内因角度蒋，是由于孳轮本身 材质缺陷而产生的，这蟥缺陷主要裔钢锭表面裂纹、锻造瘢皱以及夹杂 物等。辎板裂纹往往会弓i 起车轮疲势裂纹的发展。 涮离。剥离怒车轮与钢轨在高接触应力俸用下产生的典鼙的接触 疲舅损伤，车轮与稍鞔筠会发室靳离损伤。轮鞔之麓静离接触疲力在车 轮疆表联会产生最大剪甥应力区，豢该夔甥瘟力达到或者超过攀轮豹按 努切强发薅，容易产生微裂纹。提裹挝料的抗控强发和屈服极限可以避 免或者减轻剥离。 擦伤。从形成的原因上看，擦伤与剥离不同。擦伤也是翠轮踏面 上的金属掉块。机率启动时的空转，以及车辆进站减速、制动都造成轮 轨之间的相对滑动，使轮轨表磷温度骤增，甚至超过相变温度，发生淬 火。在淬火形成马氏体的过程中，造成较大的藕交斑力，产生裂纹，隧 后程轮辘相互俸甭的交变载荷下裂纹不断扩展，造戒金藩豹局部黢落， 呈一块块豹瘢瘩状，有瓣也纠“残皮”。 热疲劳撰伤。车轮恣阕嚣路殛频繁制动的情况下产生热疲劳损 伤。 目前我国普通列车主要采用踏面制动方式，准高速列车机牟采用踏 面制动，车辆采用踏面制动和盘型制动的组合方式。国外高速列车运用 的实践袭明，由于在高速运行条件下多采用盘式一制渤方式。将往车轮兔 受制动热负荷带来的熟疲劳损伤，车轮剿离和擦伤是主簧豹损伤方式。 所黻，研究车轮的接触疲势性髓，粪寄藿要豹璇论露应用徐藿。 夸 j 匕方交捌i 大掌硪t ：论文 接触疲劳研究综述 第二耄接触疲劳研究综述 材料在循环应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定的循环 次数后，接触表面产生麻点、浅层或深层剥落的过程称为接触疲劳。在 初始阶段，工件表面出现少量麻点；继而麻点不断增多及扩大，有的翻 坑很深，在坑底霹以双察到“贝壳”状的疲劳裂纹扩展痕迹的存在；最 后导数工件失效报废。接触疲劳既商疲劳的特征( 周期接触应力) ，又有 磨损的特征，故又称为表瑟疲势磨损或疲劳磨损。 根握剿落裂纹起始位置及形态不周，接触疲劳破坏可以分为麻点剿 落( 点蚀) 、浅层剥落和深朦剿落( 表面筮碎) 三类。深度在0 1 e 2 m m 以下抟小块剥落叫麻纛剥落，望钵状或瘦状蹬境，截殛曼不对穆v 挺。 浅层刹落深度一般为0 2 0 4 m m ，测块底部大致和表面平行，袭纹走向 与表面成锐角和垂壹。深鼷辎落深度和表面强纯层深度榴当，裂纹走岛 与袭踅垂直。接触疲劳与一般疲劳一样，也有裂纹形成和裂纹扩展两个 阶段。 齿轮、滚动轴承、凸轮、机车车轮、钢轨等都是典型的接触疲劳失 效零 牛。少量底点剥落不会影响机件的正常工作，但随着时间的延长， 麻点尺寸逐渐交大，裂纹不断扩展，梳件表蟊受到太瑟积损坏，振动和 冲击也隧之嬲大，最感导致王 牛失效甚至产生严重的屡果。 2 1 接触应力 接触废力是甄接触物体在受力条件下接触表层内的应力，也嘲赫兹 应力。在来受力时两物体是线接触，受力后由予两物体的弹性变形就会 成为蔼接触。圈2 - 1 表零两鼹柱体接触慰应力的分毒。暇设：1 ) 鼹物体 均为各向同性的完全弹性体，2 ) 仪产生弹性变形并服从虎克定律，3 ) 接触面积沈物体总谣积小的多，4 ) 压力鲞壹予接触籀，摩擦力可忽略不 计，5 ) 表嚣光滑，无承载油膜。 l o j l ：方交通大掌硕士论文接触疲劳研究综述 图2 1 两圆柱体滚动接触时的应力状况和分布 设两圆柱体的半径分别为r ，、r ：，宽度为，未变形前两者是线接触， 施加法向力后因弹性变形变为面接触，接触面积为2 b l 。根据弹性力学 的分析，接触面上的法向应力盯：沿y 轴里椭圆分布( 图2 - 1 ) ： 盯：吒一- y z b ( - 2 ) 一 ( 2 _ 1 ) 其中 仃：。= ( 2 2 ) 式中f 一载荷( n ) o e 一综合弹性模量， e = 丁j 孑奇 百e ： 巨、e ，一弹性体1 、2 的弹性模量，当试样、陪试件均为钢时， 取值为2 0 6 x 1 0 5 n m m 2 “、, u 2 一试样、陪试件的泊松比，当试样、陪试件均为钢时， 取值0 3 ； b 一接触面半宽度( r a m ) ，对于两平行圆柱接触， ! 兰查墨兰查兰竺主丝查 蓬苎壅董堡窒堡鲨 。二二= 二二二二二二二：= 一一 b = 1 5 2 实际上，在接触处的接 触应力是三向压应力。除盯 外，还有仃，、盯。它们沿深 度方向( z ) 分布的情况如图 2 2 所示。根据盯，和盯，可以 求出与y 、z 轴成4 5 、角的平 面上的最大切应力 盯一盯 7 删3 二二i 工2 ( 0 3 0 3 3 ) 二 a ：。，它的最大值f 。，。出 现在表面以下的z = o 7 8 6 b 处，而在表面的这个切应力 等于零，故r 。，。为脉动循 环。 以上所述是在接触区沿 z 轴方向的应力分布，在接 触区其他区域的应力分布与 此不同。其他区域的切应力 不等于零，故盯，、盯一盯：不 是主应力，应力状况见图 2 - 1 ，切应力“平行于接触表 面且为对称循环交变切应 力，根据弹性力学分析，其 一1 一0 。一? 亭一王 一0 乞 、 弋 、 匙 l 太 。 巡 ， 1 、 接越深度z 图2 - 2 沿深度( z ) 方向压应力、切应力分布 情况 j 一 、，。 措y 方内至接中心的臣 图2 - 3 圆柱体接触面下0 5 b 处2 0 的分布 最大值f 0 一位于接触表面下z = 0 5 b 、y = 0 8 5 b 处( 图2 - 3 ) ，且 o 。= o 2 5 6 仃：。 。 ， 两圆柱体接触时，接触疲劳裂纹萌生时的深度以及引起裂纹形成的 应力目前主要认为是由于f o 。、f 。，。引起的。但是对于这两个不同的 ! 兰查奎兰查竺竺主竺查 堡苎壅量堡塞堡姿 应力所起的作用还存在争议。一种观点认为f 。，。起主要作用，疲劳裂 纹萌生于接触表面下0 7 8 6 b 处1 ；另一种观点则认为0 。起主要作用， 疲劳裂纹萌生于接触表面下o 5 b 处“”。本文也希望通过疲劳试验来弄 清楚这两个应力的作用。 以上所说的为纯滚动时的 情况，若两接触物体既做滚动 又有滑动，将产生切向作用的 摩擦力，摩擦力的应力场和接 触应力的应力场相互叠加，将 改变接触区的应力和应力分布 ( 图2 - 4 、图2 5 ) 。由图可见， 有滑动时，接触应力盯。由脉动 循环变为交变循环应力，而 f 。，的分布曲线的最大值从 z = o 7 8 6 b 处向表面移动。当摩 擦系数大于0 2 时，f 。，分布 曲线的最大值将移动到机件表 面。 l。 ， 一 。 | | 。 | 至接中心的距离 图2 - 4 两圆柱体接触面上综合应力 至寰酉难 固2 - 5 综合切应力沿深度分布示意图 2 2 失效机理 e 接触疲劳破坏是由于两物体接触加载后，在物体表面下某一深度牡 产生的循环切应力超过材料接触疲劳极限的结果。根据最大剪切应力强 一 一一 一 一 一 fjq、口 ! 兰查奎兰查竺! 查论文接触疲劳研究综述 _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - ，- - 一二二二一。一一 度理论，最大剪切应力的分布和材料强度分布的相互比较，可以决定裂 纹产生的位置和接触疲劳的类型。 2 2 1 麻点剥落 麻点剥落的形成过程如图2 - 6 所示。在滚动接触过程中( 实际条 件下应有滑动) ，由于表面最大剪切 切应力反复作用，在表层局部区域， 如材料的抗剪切屈服强度较低，则 将在该处产生塑性变形，同时伴有 形变强化。由于损伤逐步累积，直 到表面最大剪切应力超过材料的抗 剪切强度时，就在表层形成裂纹。 裂纹形成后，润滑油挤入裂纹。在 连续滚动过程中，润滑油反复压入 裂纹内并被封闭。封闭在裂纹内的 高压油，以较高的压力作用于裂纹 内壁( 实际上是使裂纹张开的应 力) ，使裂纹沿与滚动方向成小于 4 5 倾角向前扩展。在纯滚动条件 下，裂纹扩展方向与t z 。方向一v 4 5 致；有滑动摩擦时，倾角减小，摩 擦力越大，倾角越小。当裂纹扩展 到一定程度后，因尖端有应力集中， 故在该处产生二次裂纹。二次裂纹 与初始裂纹垂直，其中也有润滑油。 二次裂纹在高压油的作用下也不断 向表面扩展。当二次裂纹扩展到表 面时，就剥落下一块金属而形成一 凹坑。 实践表明，表面接触应力较小， 去f f 乒痧纩纱 图2 - 6 麻点剥落形成过程示意图 a ) 初始裂纹形成b ) 初始裂纹扩展 c ) 二次裂纹形成d ) 二次裂纹扩展 氯映。 l _ 一 i ) 餐k 二疋= i材科曩盘 l b ) ， 图2 - 7 表面产生麻点的两种情况 a ) 表层切应力高b ) 表层材料强度低 摩擦力较大、或者表面质量较差时， 1 4 一 nv j 匕方交通大掌硕士论文 接触疲劳研究综述 容易产生麻点剥落，如图2 7 所示。 2 2 2 浅层剥落 浅层剥落裂纹产生于亚表层，其 所在的位置与7 酬，。或。所在位置 相当，即在0 7 8 6 b 处或o 5 b 处形成。 由于该处切应力最大，故塑性变形最 激烈。在接触应力的反复作用下，塑 性变形反复进行，使材料局部弱化， 遂在该处形成裂纹。裂纹常出现在非 金属夹杂物附近，故裂纹开始沿非金 属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚 动及摩擦力作用下又产生与表面成一 定倾角的裂纹二次裂纹。二次裂纹扩 展到表面，另一端形成悬臂梁，因反 复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落( 图 2 - 8 ) 。 浅层剥落多出现在机件表面粗糙度 低，相对滑动小，即摩擦力小的场合。 2 2 3 深层剥落( 压碎性剥落) 对于表面硬化的机件，若在一定深 度h 处产生的裂纹向内部过渡区扩展， 会形成深层剥落。但深层剥落的初始裂 纹常在表面硬化机件的过渡区形成，该 处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱 区，切应力有可能高于材料温度而在该 处产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面 扩展，既沿过渡区扩展，而后再垂直于 表面扩展，最后形成较深的剥落坑( 图 l b ) 形成裂纹c ) 裂纹扩展剥落 ：煞 ， ；t _ ， c 图2 - 9 深层剥落过程示意图 a ) 在过渡区产生塑性变形 b ) 在过渡区产生裂纹 c ) 形成大块划落 一蝴时一一一一。”一一 一 搿 可 表面硬化机件心部强度太低，硬化层不合理，梯度太陡或过渡区存 在不利的应力分布都容易造成深层剥落。 2 3 影响接触疲劳性能的因素 影响接触疲劳性能的因素很多，主要集中在，组织结构的影响，合金 元素的影响以及各种外部条件如润滑、表面粗糙度的影响等，但在很多 问题上仍有不同见解。 2 3 1 组织结构对接触疲劳的影响 由于组织结构本身的复杂性，决定了其对接触疲劳的影响也是很复 杂的。因此尽管组织结构对接触疲劳的影响方面的研究工作很多，但在 很多问题上研究者仍存在分歧。 2 3 1 1 铁素体对接触疲劳的影响 铁素体对接触疲劳性能的影响还存在争议。以往人们认为铁素体作 为组织中的弱相，在交变应力的作用下容易产生空隙成为疲劳源而导致 裂纹萌生，而裂纹萌生期往往占疲劳寿命的较大部分，故认为铁素体对 接触疲劳寿命有不利影响“3 “3 ，而且组织中铁素体含量越多，对接触疲 劳寿命的不利影响越大“。 然而近年来一些学者的研究表明了不同的观点：铁素体形变强化能 力高，滚压后表面实际硬度提高大，硬化层深度较深，提高了接触疲劳 强度。当组织中含有一定量的铁素体时，滚压后能改善表面实际粗糙度， 且随铁素体量的增多其作用更为明显，光洁度提高使萌生疲劳裂纹的最 大切应力移向次表层，延长了裂纹的萌生期。试样表面光洁度的提高及 次表层形变强化能力的提高是使f m 复相组织疲劳点蚀寿命提高的主要 原因；铁素体屈服强度低容易引起超显微裂纹萌生，消耗主裂纹萌生的 能量，推迟主裂纹的形成，延长了裂纹的扩展规。因此认为钢中存在一 定量的铁索体时会改善接触疲劳性能，提高接触疲劳寿命“”“川 但是，铁素体含量过多，铁索体吸收能量延缓，主裂纹形成的作用减弱， 使显微裂纹之间相互加速连接，促进主裂纹形成，使萌生期缩短，因此， j 匕方交通大掌司e 士论文 接触疲劳研究综述 铁素体含量存在一个最佳峰值“”3 。 2 3 1 2 碳化物对接触疲劳的影响 一般认为，碳化物越细小对接触疲劳抗力越有利。但是碳化物做为 硬脆相，往往成为零件接触疲劳失效的裂纹源。适当地减少碳化物量， 有利于提高接触疲劳性能。因此，在渗碳钢渗碳时，均有压低碳含量的 趋势a 碳化物的形状、尺寸和体积分数对应力集中程度和裂纹萌生有重 要影响。渗碳时形成的一次碳化物，尺寸较大，对接触疲劳性能的损害 是十分明显的。在中间高温回火时由马氏体( m ) 分解而成，并于重新加 热淬火时保留下来的未溶碳化物( r c ) ，尺寸较小，为球形或棒状，且分 布不均匀，其对接触疲劳性能的影响还存在争议。一种观点认为“”，镶 嵌于残余奥氏体中的未溶碳化物( r c ) 对改善接触疲劳性能是有利的。 另外一种观点认为”“，未溶碳化物的形状、尺寸和体积分数对应力集中 程度和裂纹萌生有重要影响，以至于对接触疲劳性能影响较大，渗碳和 碳氮共渗层中的未溶碳化物( r c ) 能明显降低1 8 c r 2 n i 4 w a 钢的接触疲劳 寿命o ”。低温回火时从残余奥氏体析出的碳化物只有几个纳米( n m ) ， 一般认为有利于改善接触疲劳性能，从m 基体内析出的细小碳化物不会 对接触疲劳性能造成明显的危害，但回火时从l f 【边界析出条状碳化物对 接触疲劳性能是不利的n ”。 2 3 1 3 残余奥氏体对接触疲劳的影响 通常认为，残余奥氏体的硬度低，比容小，降低渗层的塑变抗力和 残余压应力，应变诱发马氏体脆性大，促进裂纹萌生和扩展，对接触疲 劳性能不利，一般限制其含量在1 0 2 5 以内。然而近年来大量研究表 明 2 0 - 2 73 ，残余奥氏体含量也有其有利的作用。经循环压力后，一部分残 余奥氏体会转变。”，可以缓和粗大马氏体和碳化物产生的应力集中”， 有效的延缓疲劳裂纹的萌生和扩展；较多的残余奥氏体能保证试样始终 保持良好的接触，表层承受的接触应力分布均匀，峰值减小，而且承受 滚压时有很大的应变强化和相变强化作用心”，因此大大提高了表层和次 表层的疲劳强度，使试样的接触疲劳抗力大大提高。残余奥氏体只在含 量较高时才对接触疲劳抗力产生较大影响。在残余奥氏体含量不高的情 、 ” ! 竺查兰大掌硕士论文 接触疲劳研究综述 况下，表层组织的细化对改善试样的接触疲劳性能起主导作用他”。随着 残余奥氏体含量的增加，接触疲劳寿命大致呈抛物线规律增加，其中有 个最佳峰值“”。 在研究残余奥氏体对接触疲劳性能的影响的时候，还应兼顾考察其 机械稳定性。有些学者认为残余奥氏体的稳定性较高为好o ”，理由是应 变诱发m 使渗层脆化，容易产生疲劳裂纹；但另外一些些学者认为残余 奥氏体稳定性低些好，其论据是残余奥氏体的应变诱发产物提高切变抗 力。文献 2 1 、2 5 3 认为残余奥氏体的稳定性适中时最好，过高的a r 稳定 性会导致强度不足，过低的a r 稳定性导致韧性不足。 除了上述的几个影响因素外，其他的组织结构对接触疲劳性能也有 重要的影响。如珠光体，很多国内外的研究者对此做过研究。有的认为 。”，细化珠光体组织能提高接触疲劳强度；有的认为“删，珠光体片层 间距和珠光体团的尺寸对接触疲劳性能有重要影响，珠光体的塑性变形 能力随片层间距的减小而增大o “，减小珠光体团的尺寸，减小珠光体片 层间距和位向差可以提高接触疲劳寿命。 贝氏体钢以其高的强韧性和优良的抗磨损性越来越受到人们的重 视。低、中碳钢在适当短的时间内等温淬火，得到没有碳化物析出的特 殊的贝氏体组织，这种组织比等强度条件下进行淬火、回火处理者有更 好的综合力学性能，从而提高疲劳断裂抗力。”。关于贝氏体对接触疲劳 性能影响的研究还很少，有待进一步深入探讨。 2 3 2 表面强化工艺对接触疲劳的影响 表面强化工艺是提高零件表面接触疲劳抗力的重要方法，其机理是 使试件表面形变强化，提高表面层的硬度和强度- ，并引入较高的残余压 应力，从而抑制表面裂纹的萌生和扩展，使裂纹源形成于次表层，从而 提高接触疲劳性能。渗碳热处理可以提高工件的接触疲劳性能，m 5 0 高 速钢轴承材料经渗碳处理可将接触疲劳寿命提高一倍。这里论述另外 两种表面强化工艺：氮化处理和喷轧处理。 2 3 2 1 氮化处理对接触疲劳的影响 氮化处理是钢的表面强化的重要手段之一， 渗层硬度高于渗碳层和 1 8 兰三兰翌竽曼查竺竺! ! ：! ! 蔓一一 楚苎壅董堡窒堡姿 。_ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ i - - _ _ _ _ ，_ - 一 二。二= 二= 二。一一 碳氮共渗层。文献 3 4 证明，氮化钢的接触疲劳性能与氮化层的厚度有 关，渗层越厚疲劳强度越高。对2 5 c r 2 m o v 和3 8 c r m o a l 钢氮化处理后， 接触疲劳寿命