本文關(guān)鍵詞：高速列車鑄鋼制動(dòng)盤熱疲勞性能研究及壽命預(yù)測(cè)

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【摘要】：制動(dòng)盤是高速列車重要的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置之一,其在服役過(guò)程中的安全可靠性直接影響到列車的運(yùn)行安全。制動(dòng)盤在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中,反復(fù)受到循環(huán)溫度的作用,因此由循環(huán)交變熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞開裂是制動(dòng)盤失效的主要原因之一。本文對(duì)高速列車制動(dòng)盤鑄鋼材料在不同溫度下的力學(xué)性能、熱物理性能和熱疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用熱-力順序耦合的方法模擬了鑄鋼制動(dòng)盤在緊急制動(dòng)和常規(guī)制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布,并通過(guò)子模型技術(shù)研究了表面劃傷對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。同時(shí),將熱疲勞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合,研究了制動(dòng)盤熱疲勞裂紋萌生特點(diǎn)、熱疲勞裂紋擴(kuò)展行為以及熱疲勞過(guò)程中組織的演變規(guī)律,確定了各循環(huán)溫度下熱疲勞試樣的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線和裂紋擴(kuò)展速率da/dN～ΔK曲線,并對(duì)無(wú)缺陷制動(dòng)盤和劃傷制動(dòng)盤的熱疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下：(1)緊急制動(dòng)時(shí)熱應(yīng)力超過(guò)了制動(dòng)盤材料的屈服強(qiáng)度,造成了不可恢復(fù)的塑性變形,在盤面上產(chǎn)生了215MPa的等效殘余應(yīng)力,其中環(huán)向拉應(yīng)力是造成制動(dòng)盤發(fā)生熱疲勞破壞的主要應(yīng)力分量；常規(guī)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤摩擦面處于彈性變形階段,冷卻到室溫后,摩擦面沒(méi)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。(2)劃傷缺陷對(duì)制動(dòng)盤的應(yīng)力分布作用顯著,劃傷在制動(dòng)盤表面造成了局部應(yīng)力集中,不同劃傷處的等效殘余應(yīng)力為無(wú)缺陷盤的2.32～4.31倍；其中制動(dòng)盤表面的局部應(yīng)力隨著劃傷位置、缺口角度的增大而降低,并隨劃傷深度的增大而增加,垂直于劃傷的徑向應(yīng)力是導(dǎo)致制動(dòng)盤裂紋萌生和擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力。(3)鑄鋼材料的熱疲勞裂紋在高溫氧化腐蝕和熱循環(huán)應(yīng)力共同作用下在缺口尖端處萌生,裂紋的萌生方式為穿晶開裂；主裂紋的擴(kuò)展機(jī)制是裂紋尖端在循環(huán)應(yīng)力的作用下不斷的張開鈍化、閉合銳化,使得裂紋平直向前擴(kuò)展,同時(shí)高溫氧化腐蝕、組織的演變和循環(huán)軟化加速了裂紋的擴(kuò)展,主裂紋的擴(kuò)展方式為穿晶；網(wǎng)狀裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制是缺口區(qū)域在局部應(yīng)力集中作用下不斷的塑性累積產(chǎn)生褶皺,同時(shí)在高溫下氧元素對(duì)晶界的削弱促使了網(wǎng)狀裂紋在晶界處萌生和擴(kuò)展,網(wǎng)狀裂紋的萌生和擴(kuò)展方式為沿晶。(4)在熱疲勞過(guò)程中,試樣淬火區(qū)的硬度表現(xiàn)為軟化和硬化循環(huán)交替出現(xiàn),硬度呈類周期震蕩變化特點(diǎn),但總的趨勢(shì)為循環(huán)軟化,而且軟化程度隨著循環(huán)上限溫度提高而增大；相對(duì)應(yīng)的,在650℃循環(huán)上限溫度時(shí),試樣淬火區(qū)組織發(fā)生緩慢變化,原本保持著馬氏體位向的回火索氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钏魇象w組織,而循環(huán)上限溫度為600℃以下時(shí),材料的組織沒(méi)有發(fā)生明顯的變化,具有較高的熱穩(wěn)定性。(5)劃傷制動(dòng)盤與無(wú)缺陷制動(dòng)盤相比,熱疲勞裂紋萌生壽命縮短了3.7～5.7倍,同時(shí)劃傷半徑和缺口角度越小熱疲勞裂紋萌生壽命越短,劃傷深度越大裂紋萌生壽命越短。(6)劃傷制動(dòng)盤與無(wú)缺陷制動(dòng)盤相比,熱疲勞裂紋擴(kuò)展壽命最多下降了20倍,而且不同劃傷位置對(duì)比,劃傷位于制動(dòng)盤中間位置時(shí)擴(kuò)展壽命最短；不同劃傷深度對(duì)比,劃傷深度為3mm時(shí)擴(kuò)展壽命最短：不同劃傷缺口角度對(duì)比,角度為60°時(shí)擴(kuò)展壽命最短。
【關(guān)鍵詞】：鑄鋼制動(dòng)盤 數(shù)值模擬 劃傷缺陷 熱疲勞性能 壽命預(yù)測(cè)
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U270.35;TG260
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬13-16
• 1.2.2 制動(dòng)盤熱疲勞的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.3 制動(dòng)盤熱疲勞壽命預(yù)測(cè)18-19
• 1.3 論文研究?jī)?nèi)容19-22
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法22-31
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料22-27
• 2.1.1 制動(dòng)盤材料22
• 2.1.2 制動(dòng)盤鑄鋼材料力學(xué)性能測(cè)試22-25
• 2.1.3 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱物理性能測(cè)試25-27
• 2.2 有限元數(shù)值模擬27
• 2.3 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱疲勞測(cè)試27-31
• 2.3.1 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱疲勞測(cè)試方法27-30
• 2.3.2 熱疲勞微觀組織分析30
• 2.3.3 熱疲勞硬度測(cè)試30
• 2.3.4 熱疲勞裂紋分析30-31
• 第三章 制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬31-60
• 3.1 制動(dòng)盤有限元模型的建立31-33
• 3.1.1 制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)31-32
• 3.1.2 有限元分析的基本假設(shè)條件32-33
• 3.2 制動(dòng)盤模型的計(jì)算參數(shù)和邊界條件33-43
• 3.2.1 制動(dòng)盤鑄鋼材料的熱物理性能和力學(xué)性能參數(shù)33
• 3.2.2 制動(dòng)工況33-35
• 3.2.3 制動(dòng)盤的表面對(duì)流換熱系數(shù)35-39
• 3.2.4 制動(dòng)盤的熱輻射系數(shù)39-40
• 3.2.5 制動(dòng)盤摩擦生熱的熱輸入計(jì)算40-42
• 3.2.6 制動(dòng)盤熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)定42-43
• 3.3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析43-51
• 3.3.1 制動(dòng)盤溫度場(chǎng)結(jié)果與分析43-47
• 3.3.2 制動(dòng)盤應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果與分析47-51
• 3.4 劃傷制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算分析51-58
• 3.4.1 劃傷制動(dòng)盤模型的建立51-53
• 3.4.2 劃傷缺陷對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的影響53-54
• 3.4.3 劃傷缺陷對(duì)制動(dòng)盤應(yīng)力場(chǎng)的影響54-58
• 3.5 本章小結(jié)58-60
• 第四章 制動(dòng)盤鑄鋼材料的熱疲勞性能研究60-83
• 4.1 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱疲勞實(shí)驗(yàn)60-62
• 4.1.1 鑄鋼材料的熱疲勞裂紋萌生60-61
• 4.1.2 鑄鋼材料的熱疲勞裂紋擴(kuò)展61-62
• 4.2 制動(dòng)盤材料熱疲勞數(shù)值模擬62-69
• 4.2.1 熱疲勞試樣模型的建立62-64
• 4.2.2 熱疲勞試樣溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果64-65
• 4.2.3 熱疲勞試樣熱應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果65-69
• 4.3 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱疲勞破環(huán)機(jī)理研究69-81
• 4.3.1 熱疲勞裂紋萌生特點(diǎn)69-71
• 4.3.2 熱疲勞裂紋擴(kuò)展行為71-78
• 4.3.3 熱疲勞過(guò)程中組織演變規(guī)律78-81
• 4.4 本章小結(jié)81-83
• 第五章 制動(dòng)盤鑄鋼材料熱疲勞壽命預(yù)測(cè)83-96
• 5.1 制動(dòng)盤熱疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)83-85
• 5.2 制動(dòng)盤材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)85-94
• 5.2.1 熱疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值模擬85-87
• 5.2.2 制動(dòng)盤材料在各溫度下da/dN～ΔK曲線87-89
• 5.2.3 制動(dòng)盤熱疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)89-94
• 5.3 本章小結(jié)94-96
• 第六章 結(jié)論與展望96-99
• 6.1 結(jié)論96-97
• 6.2 展望97-99
• 致謝99-100
• 參考文獻(xiàn)100-106
• 攻讀碩士期間發(fā)表文章106

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