车轮材料摩擦疲劳损伤机理及微观组织演变行为研究

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1、国内图书分类号：TH117.1密级：公开国际图书分类号：621西南交通大学博士研究生学位论文车轮材料摩擦疲劳损伤机理及微观组织演变行为研究年级二○一四级姓名何成刚申请学位级别工学博士专业机械设计及理论指导教师刘启跃教授二○一八年五月ClassifiedIndex:TH117.1U.D.C:621SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationSTUDYONTRIBO-FATIGUEDAMAGEMECHANISMANDMICROSTRUCTUREEVOLUTIONBEHAVIORSOFWHEELMATERIALSGrade:2014

2、Candidate:HeChenggangAcademicDegreeAppliedfor:DoctorDegreeSpeciality:MechanicalDesignandTheorySupervisor:Prof.LiuQiyueMay,2018西南交通大学学位论文版权使用授权书，同意学校保留并本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。本人授向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索’可以。采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文．本学位

3、论文属于；１，．保密□在年解密后适用本授权书，２。：．不保密ｌ／适用本授权书．１“”．请在以上方框内打Ｖ）（讲旨导教师签么学位论文作者签名：对系）ｔ〇＞曰期彳抓年料州曰期：｜＇趣＿，增打－ｕＪ…西南交通大学博士学位论文创新性声明工作所取本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究：己经发得的成果引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体。除文中己经注明表或撰写过的研究成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均己在文中做了明确的说明。。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担本学位论文的主要创新点如下

4、：和摩擦热疲劳损伤行１、阐明了不同制动时速度和运行速度下车轮材料表面擦伤车轮试样间接触温度和接触闪为，并采用数值方法计算不同制动时速度和运行三速度下、四章）温来揭示了车轮材料摩擦热疲劳损伤行为。（第２、通过在试样接触表面下预制出疲劳裂纹，使其能够况进在滚动接触过程中受到弯矩作用，并使用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对预制裂纹受力情行了仿真分析来揭示了车轮材料疲劳裂纹的扩展行为。（第五章），构建３、通过系统分析车轮磨损率、磨痕微观形貌以及剖面触疲劳损伤机制的变化了车轮材料磨损图和摩擦疲劳损伤机制图，阐明了滚动接作用过程中车轮材料近表＇层塑性变形微观组织结构

5、演变行为和规律。（第七、八和九章）？＇／学位论文作者签名：曰期：２。丨咏￥＠西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要随着铁路向高速重载方向发展，在轮轨滚动接触过程中，车轮处于强摩擦力、多场耦合作用下运行，因此车轮材料的摩擦磨损及疲劳损伤行为变得越发复杂。车轮作为一个典型的摩擦疲劳部件，系统研究车轮材料摩擦疲劳损伤机理与规律，建立车轮材料的磨损图和摩擦疲劳损伤机制图，对预防和减缓铁路车轮疲劳损伤是十分必要的。本文使用JD-1轮轨模拟试验机基于不同制动时速度、运行速度、预制裂纹参数、曲线半径、切向力和接触应力进行轮轨滚动模拟试验，利用光学显微镜、维氏显微硬度仪、激光

6、共聚焦扫描显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射等分析手段研究车轮材料滚动摩擦疲劳损伤行为。从摩擦学和材料学角度，利用电子背散射衍射、聚焦离子束、透射电子显微镜分析滚动接触过程中车轮材料塑性变形区微观组织结构演变行为和规律。论文主要研究工作及得到的结论如下：（一）阐明了轮轨滚动接触过程中试验参数对车轮材料摩擦疲劳损伤的影响随着制动时速度增大，轮轨间摩擦热增大，由摩擦热引起车轮材料屈服强度及其他机械性能下降加剧了热疲劳裂纹损伤，在相应热应力和摩擦热作用下，热疲劳裂纹容易萌生枝裂纹，并向车轮试样内部扩展，进而导致严重的摩擦热疲劳损伤。随着运行速度不断增大，车轮试样表面的主要损伤机制由剥落、轻

7、微表面疲劳损伤转变为严重的疲劳损伤，疲劳裂纹从车轮试样磨损表面萌生并在塑性变形层内沿着较软的铁素体线进行扩展。弯矩作用下在车轮试样预制裂纹尖端及其两侧附近萌生扩展裂纹，且裂纹扩展方向不完全沿着预制裂纹的初始方向，裂纹扩展方向很容易发生改变，有枝裂纹沿着主裂纹萌生，同时车轮材料裂纹扩展机制主要是穿晶断裂。车轮试样磨损表面萌生的斜裂纹是由其所受切向力和横向力合力引起的；且表面斜裂纹的开口方向与表面摩擦力的合力方向垂直。（二）建立了车轮材料的摩擦疲劳损伤机制图系