喷丸处理EA4T车轴钢疲劳性能和强度评估研究

• 作 者: 李行
• 机 构: 西南交通大学
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 高速列车

近年来，随着中国高速列车运行速度的不断提升，列车车轴承受载荷越来越复杂，在检修时，车轴表面也发现各种表面损伤缺陷。为了保证列车在服役期间安全可靠性，对车轴进行表面强化处理以提高其疲劳性能是一种有效的措施，而喷丸处理是机械结构中应用广泛的一种表强化处理工艺。为了研究喷丸处理对EA4T车轴钢疲劳性能的影响，评估不同尺寸缺陷对疲劳强度的影响，并研究表面强化处理后P-S-N模型的适用性，论文对EA4T合金钢试样采用三种不同喷丸处理，研究喷丸处理后试样的表面性能、破坏行为和强度提升因素；在母材试样和微粒子喷丸试样表面引入孔缺陷模拟车轴表面损伤以研究不同尺寸缺陷对疲劳强度的影响，并预测对试样疲劳强度无影响的临界缺陷尺寸；基于四种评估模型分别得到了不同试样的P-S-N曲线，并分析对比了四种模型的特点和对喷丸试样的适用性。论文主要内容如下：
　　(1)对EA4T合金钢母材(UP)试样采用传统喷丸(CSP)、微粒子喷丸(MSP)和二者的复合喷丸(DSP)处理，分析了不同喷丸处理试样的表面三维形貌、微观组织与硬度、表面残余应力，并开展对应的旋转弯曲疲劳实验，研究了不同喷丸处理试样的疲劳破坏行为、残余应力松弛过程和疲劳强度提升因素。结果表明：MSP试样具有最高的表面残余压应力、最小的表面粗糙度和较高的表面硬度；与UP试样相比，CSP、MSP和DSP试样疲劳极限分别提高了24%、32%和27%；喷丸处理没有改变试样破坏行为，喷丸试样疲劳裂纹源于表面凹坑或缺陷；三种喷丸试样在10循环周次加载后，表面剩余残余应力与对数循环周次呈线性关系。MSP试样具有最高的表面残余压应力(SCRS)和最佳的表面完整性，因此，其疲劳极限提升最显著。
　　(2)在UP和MSP试样表面引入人工孔缺陷后开展疲劳试验，使用缺口敏感性方法和修正的Haddad模型评估了不同尺寸缺陷对疲劳强度的影响，并基于断裂力学方法评估了对疲劳强度无影响的临界缺陷尺寸。结果表明：当UP和MSP试样的表面缺陷尺寸分别小于60μm和70μm时，其疲劳强度与不含缺陷试样一致，但随着缺陷尺寸增大，其疲劳强度逐渐降低；使用缺口敏感性方法的评估结果偏保守，而修正后的Haddad模型可以准确地评估不同尺寸缺陷对试样疲劳强度的影响；基于断裂力学的评估结果表明对UP和MSP试样疲劳强度无影响的临界缺陷尺寸分别为65μm和76μm，这与试验结果具有较好的一致性。
　　(3)基于四种评估模型分别得到了不同试样的P-S-N曲线，分析了不同概率模型的特点并对比了不同概率模型评估得到的喷丸试样疲劳极限。结果表明：传统方法简单平移中值S-N曲线，P-S-N曲线与中值曲线平行，试样数n对标准偏差的修正可以忽略；欧文单侧公差极限法考虑了试样个数和置信水平的影响，预测结果偏保守；样本信息聚集原理法考虑了不同加载应力水平下对数寿命标准差的变化，靠近疲劳极限区间的预测结果偏保守；极大似然法减少实验试样量的同时能够获得与传统方法相对误差在5%以内的预测结果。在四种方法中，样本信息聚集原理法可以得到最保守的疲劳极限评估结果。