S38C车轴冲击损伤疲劳性能研究

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1、国内图书分类号：TB31密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学研究生学位论文S38C车轴冲击损伤疲劳性能研究年级：2015级姓名：潘向南申请学位级别：工程硕士专业：材料工程指导老师：韩靖副教授二零一八年五月ClassifiedIndex:TB31U.D.C:629SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisStudyonFatiguePerformanceofImpactDamageonS38CAxleGrade:2015Candidate:XiangnanPanAcademicDegreeAp

2、pliedfor:MasterDegreeSpeciality:MaterialsEngineeringSupervisor:AssociateProf.HanJingMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要高速列车车轴在实际运行中会不可避免的遭受外物冲击损伤，在车轴表面留下擦痕或撞击凹槽，严重威胁列车运行安全。目前已有的车轴损伤制备方法虽能提供一定理论支持，但未能模拟实际车轴损伤。因此模拟制备车轴冲击损伤缺陷，并探讨车轴外物损伤疲劳断裂机理具有重要的工程意义。研究结论如下：（1）对S38C车轴表面感应淬火层抗拉强度、径向显微硬度

3、和显微组织进行了测试分析，分别采用升降法和逐步加载法测试了车轴四点弯曲标样疲劳极限，不同数据统计方法计算所得逐步加载法疲劳极限均比升降法高10%左右。（2）采用冲击弹体（形状为钢球、正方体，材质为轴承钢、钨钢）进行空气炮冲击制造损伤缺陷，统计分析缺陷宏观形貌及截面组织变化。探讨了不同冲击速度下制造的球形缺陷变化规律，在冲击速度达300m/s以上时会产生绝热剪切带。分析了绝热剪切带的形成原因，绝热剪切带的弹性模量（254.0GPa）及纳米硬度（11.83GPa）均高于光滑试样和缺陷试样，其中弹性模量高出4.35%，纳米硬度高出46.96%。绝热剪切

4、带在缺陷次表面危害较大，其硬度及晶粒尺寸的不匹配会引起变形的不协调。（3）正方体弹体外物损伤产生两类缺陷：擦痕缺陷和凹坑缺陷。采用轴承正方体进行300-500m/s速度冲击制造出的擦痕缺陷与实际车轴擦伤宏观形貌较为相似，次表面无明显变化；采用钨钢正方体进行100-300m/s速度冲击可产生凹坑缺陷。冲击速度为100m/s时即可模拟出实际车轴沟槽缺陷参数。（4）S38C车轴表面对应力集中非常敏感，球形缺陷疲劳断裂机理以应力集中为主，随着冲击速度提升，疲劳断裂机理逐渐演变为应力集中、绝热剪切带失效裂纹、材料缺失、多裂纹扩展共同导致，擦痕缺陷疲劳性能仅

5、有轻微下降。凹坑缺陷包含外物镶嵌、应力集中、次表面绝热剪切带及其失效产生的长裂纹等，疲劳性能下降明显，此速度下产生绝热剪切带，说明尖锐硬物冲击损伤情况不能单纯以冲击速度为唯一评定标准。关键词：S38C；绝热剪切带；空气炮；逐步加载法；外物损伤；疲劳极限西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractHighspeedrailwayaxleswillinevitablybesubjectedtoforeignobjectimpactdamageduringtheactualoperatingconditions.Thescratchorimp

6、actgrooveswillbeproducedinaxlesurfacewhenflyingrocksormetalfragmentshittingtheaxlewhichseriouslythreatensthesafetyofthetrain.Althoughexistingaxledamagepreparationmethodscanprovidecertaintheoreticalsupport,theyhavenotbeenabletosimulateactualaxledamage.Therefore,itisofgreatengi

7、neeringsignificancetodevelopanewmethodofaxledamagepreparationandtoexplorethefatiguefracturemechanismofaxleimpactdamage.Theresultsasfollows:(1)Thetensilestrength,radialmicrohardnessandmicrostructureoftheinductionhardenedlayeronthesurfaceoftheS38Caxlearetestedandanalyzed.Thefat

8、iguelimitsofthefour-pointbendingstandardspecimensoftheaxlearetestedb