CN117330411A - 用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，属于铁路车轮轮辋裂纹扩展机理诊断技术领域，采用广泛使用的III型扭转裂纹扩展速率测试试验的圆棒试样，通过柔度法来估测圆棒试样内部裂纹长度。对不同轴向与扭转复合载荷作用下裂纹扩展速率与裂纹的扩展阻滞行为进行了试验，并对三种复合载荷作用下样品的疲劳断口裂纹扩展区进行扫描电镜观察。本发明主要解决裂纹在扩展过程中是否会受到阻滞这一物理问题，通过等效缩比试验，复现了轮辋裂纹扩展阻滞行为，有助于分析轮辋裂纹的扩展阻滞效应。
Description
技术领域
本发明属于铁路车轮轮辋裂纹扩展机理诊断技术领域，具体涉及一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法。
背景技术
车轮是铁路车辆的核心部件，长时间处于高速、重载运行状态，在运营过程中可能产生多种疲劳损伤，如车轮辋裂和踏面剥离等普发性损伤，这些疲劳损伤严重威胁着高速列车的行车安全，受到人们特别关注。
机车车轮在运行时轮轨间的滚动接触应力大而且交替变化，使得车轮轮辋踏面次表面在运行过程中产生塑性变形，又因为钢中存在夹杂物、渗碳体等脆性相，容易导致轮辋裂纹萌生，很多研究表明夹杂物对于轮辋裂纹的萌生存在着重大的影响。
现阶段对于轮辋裂纹萌生和扩展机理的研究存在着极大得困难。一方面，由于列车在高速运行过程中会经历各种的工况，车轮受到的载荷极为复杂，通过试验来对车轮受到的载荷进行模拟是十分困难的。另一方面，轮辋裂纹面之间是否存在着接触作用，且裂纹面接触对于裂纹尖端应力强度因子的影响程度尚未可知。轮辋裂纹尖端的有效应力强度因子的大小尚不能被准确的表达。
为解决现有技术的不足，提供一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对裂纹扩展会受到阻滞作用这个推论，提供一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，利用MTS疲劳试验机，采取拉扭载荷、纯扭转载荷与压扭载荷三种复合载荷对圆棒试样的裂纹扩展机理进行试验，主要复现轮辋裂纹扩展阻滞行为，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，包括以下步骤：
步骤1：取圆棒试样若干并预制裂纹；
步骤2：建立裂纹长度与扭转角之间的关系以获得圆棒试样内部裂纹的长度，包括：步骤2-1：建立柔度增量与裂纹长度之间的关系；步骤2-2：建立柔度C与扭转角θ之间的关系；步骤2-3：由步骤1-1和步骤1-2计算圆棒的裂纹长度与扭转角之间的关系；
步骤3：获取应力循环周次与裂纹长度之间的关系；
步骤4：计算裂纹扩展速率；
步骤5：分析不同组合载荷作用下裂纹的扩展速率与扩展行为；
步骤6：观察裂纹扩展断口。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤1中，在距离车轮踏面30mm处取长度为240mm，直径为25mm的圆棒试样若干。对试样进行进一步加工，圆棒直径加工为14mm，圆棒中间采取线切割的方法环切一个深度为2mm的预制缺口。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤2-1具体步骤如下：
在I型裂纹中，能量释放率g和试样的柔度C有如下关系：
式中，P是恒定的拉伸应力，A是裂纹面积。
裂纹释放率g和应力强度因子KI之间的关系如下：
式中，E是材料的杨氏模量，v是材料的泊松比。
综合以上两式，并且把I型裂纹的式子应用到III型裂纹当中，可以推导出：
式中，T是应力扭矩，G是切变模量。
通过上式可以得出柔度的增量和裂纹长度之间的关系为：
式中，C为圆棒试样的柔度，C0为带有缺口试样的初始柔度。r0为裂纹未扩展时圆棒试样环切面的半径，r为裂纹发生扩展时圆棒试样环切面的半径。在小范围屈服的条件下，裂纹尖端的应力强度因子KIII由下式决定：
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤2-2中柔度C与扭转角θ之间的关系式为：
θ＝C·T·l
式中，l为圆棒试样的长度。
进一步地，在上述技术方案中，在所述步骤2-3中计算当扭矩为50Nm时，圆棒的裂纹长度与扭转角之间的关系。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤3中根据试验获得扭转角的大小，从裂纹长度与扭转角关系图中获得对应的裂纹长度，从而获得应力循环周次与裂纹长度之间的关系。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤4中数据处理时采取割线法来计算裂纹扩展速率：
式中，a为裂纹扩展长度，N为循环加载次数。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤5中采用拉伸和扭转载荷、纯扭转载荷与压缩和扭转载荷三种复合载荷对圆棒试样的裂纹扩展机理进行试验。
进一步地，在上述技术方案中，所述步骤6中用扫描电镜观察三种不同复合载荷作用下样品的疲劳断口形貌。
本发明有益效果：基于等效缩比方法对铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞进行了试验，对压扭载荷、纯扭转载荷和拉扭载荷三种复合载荷作用下的裂纹扩展试验进行了对比，分析了三种复合载荷作用下裂纹扩展速率以及对应的断口特征，复现了轮辋裂纹扩展阻滞行为，证实了根据轮辋裂纹面情况观察所得到的裂纹扩展受到阻滞这个推论，为铁路车轮轮辋裂纹扩展机理研究提供了技术支持。
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的轮辋裂纹与试样裂纹等效示意图。
图2为本发明实施例所述的裂纹模型图。
图3为本发明实施例所述的试样取样位置示意图。
图4为本发明实施例所述的试样加工模型图。其中，(a)为试样尺寸，(b)为三维模型。
图5为本发明实施例所述的裂纹长度与理论扭转角之间的关系示意图。
图6为本发明实施例所述的裂纹长度与疲劳寿命之间的关系示意图。
图7为本发明实施例所述的裂纹长度与裂纹扩展速率之间的关系示意图。
图8为本发明实施例所述的拉伸和扭转复合载荷作用下样品的疲劳断口示意图。
图9为本发明实施例所述的拉伸和扭转复合载荷作用下样品的疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
图10为本发明实施例所述的扭转载荷作用下样品的疲劳断口示意图。
图11为本发明实施例所述的扭转载荷作用下样品的疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
图12为本发明实施例所述的压缩和扭转复合载荷作用下样品的疲劳断口示意图。
图13为本发明实施例所述的压缩和扭转复合载荷作用下样品的疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
如图1、图2所示，本发明具体实施例中，为了复现轮辋裂纹扩展阻滞行为，提出了一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，包括以下步骤：
步骤1：取圆棒试样若干并预制裂纹：
在距离车轮踏面30mm处取长度为240mm，直径为25mm的圆棒试样若干，取样示意图如图3所示。对试样进行进一步加工，圆棒直径加工为14mm，圆棒中间采取线切割的方法环切一个深度为2mm的预制缺口，试样加工尺寸如图4所示。
步骤2：建立裂纹长度与扭转角之间的关系以获得圆棒试样内部裂纹的长度：
在I型裂纹中，能量释放率g和试样的柔度C有如下关系：
式中，P是恒定的拉伸应力，A是裂纹面积。
裂纹释放率g和应力强度因子KI之间的关系如下：
式中，E是材料的杨氏模量，v是材料的泊松比。
综合以上两式，并且把I型裂纹的式子应用到III型裂纹当中，可以推导出：
式中，T是应力扭矩，G是切变模量。
通过上式可以得出柔度的增量和裂纹长度之间的关系为：
式中，C为圆棒试样的柔度，C0为带有缺口试样的初始柔度。r0为裂纹未扩展时圆棒试样环切面的半径，r为裂纹发生扩展时圆棒试样环切面的半径。在小范围屈服的条件下，裂纹尖端的应力强度因子KIII由下式决定：
一旦裂纹发生扩展，试样的柔度就会增大。试验中可以通过施加相同的扭矩T，监测试样扭转角的变化来反应试样柔度的变化。柔度C与扭转角θ之间的关系式如下：
θ＝C·T·l (6)
式中，l为圆棒试样的长度。
如图5所示为根据式(4)、(5)与(6)计算出来的当扭矩为50Nm时，圆棒的裂纹长度与扭转角之间的关系。
由于在纯扭转载荷与压扭载荷作用下的裂纹扩展速率测试试验中，裂纹面将不可避免的产生接触。对相同的裂纹长度的圆棒施加相同的扭矩情况下，试验测得的扭转角θ*将小于理论的扭转角θ。尽管在疲劳裂纹扩展的末期，θ*/θ的值与其疲劳裂纹扩展初期的值明显不同，但几次试验表明，θ*/θ在疲劳试验的早期阶段是基本保持不变的，假定：θ*/θ在本次试验中是一个恒定的数值；
在压扭载荷和纯扭载荷作用下的裂纹扩展速率测试试验中，采用如下方法来获得实际的裂纹扭转角：试验中，假设拉伸载荷作用下，扭转裂纹扩展速率测试试验中的裂纹面是完全张开的，裂纹面之间无接触作用，此时θ*/θ＝1。对同一个试样，在裂纹扩展到一定长度时，施加50Nm的固定扭矩，测量在拉扭载荷作用下、纯扭载荷作用下、压扭载荷作用下扭转角的大小，即可获得θ* 扭转/θ与θ* 压妞/θ的大小，则试验过程中的理论扭转角为：
θ*＝θ(θ*/θ) (7)
获得理论扭转角后代入图5即可获得对应的裂纹长度。
步骤3：获取应力循环周次与裂纹长度之间的关系：
根据试验获得扭转角的大小，根据图5即可获得对应的裂纹长度，从而获得应力循环周次与裂纹长度之间的关系如图6所示，分析不同轴向载荷作用下的裂纹的扩展速率，研究不同组合载荷下的裂纹的扩展行为。
步骤4：计算裂纹扩展速率：
数据处理时采取割线法来计算裂纹扩展速率：
式中，a为裂纹扩展长度，N为循环加载次数。
步骤5：分析不同组合载荷作用下裂纹的扩展速率与扩展行为：
试验采用扭矩控制的循环试验方法，试验设备为MTS疲劳试验机。试验分为3组，每组试验条件如表3-3所示。其中，扭转载荷应力比R为-1，频率为3Hz，轴向载荷在试验过程中保持恒定。试验前，通过施加扭矩50Nm，获得含有环切缺口的圆棒试样的初始扭转角θ0，之后施加应力比为-1，幅值为50Nm的循环扭矩，在三组试样上预制出近似相同长度的预制裂纹(试样扭转角度变化近似相等)。预制裂纹完毕后，采用表1的试验工况，测量每组试验工况下，圆棒试样的扭转角与应力循环周次之间的关系，计算获得三组工况下圆棒试样环切裂纹的不同的扩展速率。
表1本发明的试验条件
利用割线法计算获得的裂纹长度与裂纹扩展速率之间的关系如图7所示，从图中可以看出，拉扭载荷作用下的试样裂纹扩展速率初始在5×10-5mm/cycle左右，随着裂纹的扩展，裂纹扩展速率逐渐增大至2×10-4mm/cycle左右，试样裂纹扩展直至断裂；纯扭载荷作用下的试样裂纹扩展速率初始在2×10-5mm/cycle左右，低于拉伸和扭转复合载荷作用下的裂纹扩展速率。裂纹的扩展速率随着裂纹长度的增大而降低。随着裂纹长度的增大，裂纹扩展速率下降到7×10-6mm/cycle左右；压缩载荷作用下的试样裂纹扩展速率初始在2×10- 5mm/cycle左右，裂纹的扩展速率随着裂纹长度的增大而降低，随着裂纹长度的增大，裂纹扩展速率下降到2×10-6mm/cycle左右。
步骤6：观察裂纹扩展断口：
对三种复合载荷作用下样品的疲劳断口裂纹扩展区进行扫描电镜观察。
图8、图9分别为拉扭复合载荷作用下样品的疲劳断口的扫描电镜图像和疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
图10、图11分别为纯扭转载荷作用下样品的疲劳断口的扫描电镜图像和疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
图12、图13分别为压扭复合载荷作用下样品的疲劳断口的扫描电镜图像和疲劳断口锯齿状裂纹形貌放大图。
对比图10、图11与图8、图9，从图中可以看出，纯扭转载荷作用下的锯齿状裂纹扩展的B区域存在着剧烈摩擦的痕迹。没有拉伸载荷的作用时，裂纹面之间不可避免的会产生接触作用。扭转载荷的作用下，上下裂纹面的锯齿状裂纹会发生相对位移，锯齿之间会产生剧烈的摩擦作用，裂纹扩展遭遇了阻滞作用。
对比图12、图13与图10、图11，从图中可以看出，压扭复合载荷作用下的锯齿状裂纹扩展的B区域摩擦痕迹更加明显。裂纹面在压缩载荷的作用下，接触的更加紧密，在扭转载荷的作用下，上下裂纹面的锯齿状裂纹会发生相对位移，从而产生剧烈的摩擦作用。裂纹的扩展阻滞效应在压缩和扭转的复合载荷作用下达到最大。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：取圆棒试样若干并预制裂纹；
步骤2：建立裂纹长度与扭转角之间的关系以获得圆棒试样内部裂纹的长度，包括：步骤2-1，建立柔度增量与裂纹长度之间的关系；步骤2-2，建立柔度C与扭转角θ之间的关系；步骤2-3，由步骤2-1和步骤2-2计算圆棒的裂纹长度与扭转角之间的关系；
步骤3：获取应力循环周次与裂纹长度之间的关系；
步骤4：计算裂纹扩展速率；
步骤5：分析不同组合载荷作用下裂纹的扩展速率与扩展行为；
步骤6：观察裂纹扩展断口。
2.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤1中，在距离车轮踏面30mm处取长度为240mm，直径为25mm的圆棒试样若干；对圆棒试样进行直径加工为14mm，圆棒中间采取线切割的方法环切一个深度为2mm的预制缺口。
3.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤2-1具体步骤如下：
在I型裂纹中，能量释放率g和试样的柔度C有如下关系：
式中，P是恒定的拉伸应力，A是裂纹面积；
裂纹释放率g和应力强度因子KI之间的关系如下：
式中，E是材料的杨氏模量，v是材料的泊松比；
把I型裂纹的式子应用到III型裂纹当中，推导出：
式中，T是应力扭矩，G是切变模量；
则，柔度的增量和裂纹长度之间的关系为：
式中，C为圆棒试样的柔度，C0为带有缺口试样的初始柔度；r0为裂纹未扩展时圆棒试样环切面的半径，r为裂纹发生扩展时圆棒试样环切面的半径；裂纹尖端的应力强度因子KIII由下式决定：
4.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤2-2中柔度C与扭转角θ之间的关系式为：
θ＝C·T·l；
式中，l为圆棒试样的长度。
5.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：在所述步骤2-3中计算当扭矩为50Nm时，圆棒的裂纹长度与扭转角之间的关系。
6.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤3中根据试验获得扭转角的大小，从裂纹长度与扭转角关系图中获得对应的裂纹长度，从而获得应力循环周次与裂纹长度之间的关系。
7.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤4中裂纹扩展速率的计算公式为：
式中，a为裂纹扩展长度，N为循环加载次数。
8.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤5中采用拉扭载荷、纯扭转载荷与压扭载荷三种复合载荷对圆棒试样的裂纹扩展机理进行试验。
9.根据权利要求1所述的用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法，其特征在于：所述步骤6中用扫描电镜观察三种不同复合载荷作用下样品的疲劳断口形貌。
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|---|---|---|---|
| CN202311165504.4A CN117330411A (zh) | 2023-09-11 | 2023-09-11 | 用于铁路车轮轮辋裂纹扩展阻滞机理的等效缩比试验方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119804186A (zh) * | 2024-12-23 | 2025-04-11 | 北京交通大学 | 基于增材制造的滚动接触疲劳内部裂纹扩展试验方法 |
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2023
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