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EffectsofmorphologycouplingandcharacteristicvalueonthefatiguewearofU71MnsteelSteelrailisanimportantcomponentoftherailwaytransportationsystem,railwaytransportefficiencyandtrafficsafetyisgreatlydependentonthequalityandpropertyofsteelrail,withtheaccelerationof’srailwaysystemandthedevelopmentofhigh-speedrail,thefailurecausedbyfatiguewearontherailsteelis ingmoreandmoreserious,Toreducethecostofrailwayoperationandensurethesafetyofthetraffic,it'sessentialforustostudyfatiguewearanditsrelatedproblems.Basedonpreviousexperimentalresultsandadeepunderstandingandmasteryoftypicalbiologicalcouplingmechanism,wemadehardbionicunitswithcertaingeometryonthesurfaceofbiomimeticsamples,then,thedifferenceofthefatiguewearperformancewascomparedwhenthemorphologyandshapeofbionicunitchanged,atthesametime,thestudyalsofocusedontheeffectofthedistanceofbionicunitsonthefatiguewearpropertiesofbiomimeticResearchresultsshowthatduringtheprocessofbioniccouplingtreatment,theliquidinthemoltenpoolisrapidlycooledtoformamartensiticstructurethatContainsamassofdislocations,bionicunitscanhindertheexpansionofthefatiguecrackbecauseit’sstrongabilitytoresiststicdeformation.Besides,theexistenceofbionicunitswillgeneratestressconcentrationanddecreasethestressofthesubstrate,sothefatiguewearperformanceofbioniccouplingsamplesincreasesignificantly.Deepnessofthebionicunitsisthemainfactorinfluencingthefatiguewearperformanceofbiomimeticsamples.Whenthedepthofbionicunitsincreases,thewearpropertiesofmaterialstendtobeenhanced.Thetensilestrengthandyieldstrengthofspecimenswithreticulateunitsisgreaterthanthespecimenswithpunctateandstriateunits,andthestressconcentrationofspecimenswithreticulateunitsishigherthanothersstyle,thesereasonsmakethespecimenswithreticulateunitshavethebestfatiguewearproperty.Ifthesampleshavethesamemorphologycoupling,thesmallerofthedistanceofbionicunits,thebetterperformancethatbiomimeticspecimenswillhave.Whentransversedistanceis5mmandlongitudinaldistanceis4mm,thesamplespossessbestfatiguewearproperties.Whenthedistanceisgreaterorlessthanthisoptimalvalue,theperformanceofbiomimeticsampleswilldecline.:目錄第一章緒 第二章實驗方 第三章單元體截面形態(tài)對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 第四章單元體形狀對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 第五章單元體分布間距對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 第六章結(jié) 第一章緒論鐵路系統(tǒng)作為人員物資的大動脈,一直承擔(dān)著50%以上的客運城際高鐵，實現(xiàn)了從技術(shù)到引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展的大飛躍。按照國際鐵路(UIC)9356Km14104Km3228Km，營運廣泛應(yīng)用的鋼軌主要有U71Mn、PD3、U75VU71Mn鋼優(yōu)良的抗疲勞裂紋擴展鋼軌壓潰和波磨等，占鋼軌損傷總量的80%以上[4]，鋼軌在交變應(yīng)力的作用下，其表面200010之一[8]。由此可見，鐵路提速后我國軌道系統(tǒng)已經(jīng)出了大量與材料服役環(huán)境相關(guān)的機械強度和可靠性問題，高速鐵路的發(fā)展將導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)的服役嚴(yán)重降低。損傷鋼軌需要鐵路公司每年多支出80多億，這還不包括維修養(yǎng)護的人力成本、維修設(shè)備投入以及更換損傷鋼軌時因線路而停運所造成的經(jīng)濟損失[9]。隨著我國鐵1.1（a）所示。在不斷的循環(huán)壓應(yīng)力作用下，裂紋尖端會形成二次1.1(a)點蝕裂紋擴展示意圖；(b) (a)Schematicdiagramforcrackpropagationofpitting,(b)Scanningofthe示，剝離磨損后的表面形貌如圖1.1（a）所示，其磨損后產(chǎn)生的磨屑形狀為薄塊狀。1.2(a)；(b) (a)Wearappearanceofstrip,(b)Schematicdiagramforcrackpropagation限值[20]。由于切向應(yīng)力是影響安定極限值的最主要因素，因此線切向應(yīng)力較大的區(qū)1.3(a)鋼軌壓潰；（b） (a)Railsticflow,(b)Rail磨損形貌如圖1.3（b）所示。波磨會加重輪軌垂直方向的，造成鋼軌扣件松動、45°夾角的龜裂、鋼軌內(nèi)1=i+kd1 20%以上[31]。但是由于珠光體的斷裂韌性KIC較原因，在現(xiàn)有鑄造和合成工藝條件下，珠2-5[33]。英國英鋼聯(lián)公司研發(fā)并專利的低碳馬氏體鋼軌[34]，其鋼軌頭硬度可以達到470HV，不僅強度高、碳量為0.77%時，此時處于共析點，鋼的組織全部為珠光體，鋼的性能完全取決于珠光 MnMn、Cr、Si、Ni溶強化效果最明顯，CrNi和力越大，則形成的化合物的穩(wěn)定性、、分解溫度越高，從而硬度，耐磨性越高。0.786（d≥3.15b[36]。的硬度是否匹配得當(dāng)，也會直接影響鋼軌材料的接觸疲勞。0.05～0.1mm界析氫，晶界溶入有害元素或者 的夾雜物等會使晶界易產(chǎn)生裂紋，降低疲勞強度A.H.Cottrell和D.Hull[38]交叉滑移模型形象的解釋了金屬在應(yīng)力值遠低于階段的裂紋擴展速率非常低，其擴展總進程也很小，數(shù)晶粒的微裂紋能夠擴展其擴展速率很快，可以達到10-5-10-2mm/次。當(dāng)表面的薄弱區(qū)域在外加載荷的作用下形1.4 Thetwostagesoffatiguecrack圖 Schematicdiagramofthepitting1.6 Schematicdiagramoftheumshearstress位于最表層（深度小于幾十μm）的會由于映像力（Image）的作用，使材圖 Schematicdiagramofthedelaminationwear用各種工藝、材料、計算機等技術(shù) 圖 b(a) btyre7.3%，大幅提高了1.9（a）鯊魚體表形貌；（b） Morphologiesonthesharkbodysurface(a)andsharkskinswimsuit制生物體的某些功能的仿生。Nexia生物科技公司和Natick圖 （a）蜘蛛網(wǎng)；（b）仿生 Spiderweb(a)andbiomimeticbodyarmour106℃/s，使熔凝層與基體之圖 (a)S,(b)Deflectionofcrackinthenacreous和的最敏感區(qū)域[63]。歐盟于2000年4月開展了旨在提高鋼軌的耐用性和疲勞鐵路線上和新鋼軌的制造過程的激光熔覆技術(shù)，并通過了和實地軌道檢測[64-66]。15%-20%以上，耐磨損性能大大提升。S.M.Shariff效提高輪軌表面抗疲勞磨損的能力[75]。NagashimaToshio[76]第二章實驗方法2.1所示，化學(xué)成分如表2.1所示。2.1U71Mn 表 Table ChemicalcompositionsoftheU71MnsteelintheCVSP體結(jié)構(gòu)抽象并進行優(yōu)化，得到如圖中a2、b2、c2所示的點狀、條紋狀和網(wǎng)格狀的簡單模圖 仿生耦合試樣示意 Thebioniccouplingsample2.3待處理試樣示意圖（ Sketchoftheuntreatedsample(Unit:JHM-IGY-300B(a)2+2維仿生系 (b)2+2維仿生系統(tǒng)原理(a)Thepictureoflaser (b)Sketchmapoftable圖2.4激光仿生系統(tǒng)與加工示意 Laserbionicfabricatingsystemandprocessing圖 疲勞磨損實驗機工作原理示意 Sketchofoperatingprincipleofthefatigueweartest圖 待處理拉伸試樣示意圖（單位 Configurationandgeometryofthespecimenusedfortensiletest(Unit:樣后打磨、拋光，然后用4%的硝酸溶液對試樣進行腐蝕，最后利用掃描電鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）觀察基體和仿生單元體的組織。掃描電鏡為JSM-5600LV25KV，放大倍數(shù)為50-5000倍。物相分析在理學(xué)X射線衍射儀（D/Max2500PCRigaku，Japan）上進行，該角步長為0.05°，掃描速度為4deg/min。它由前后處理模塊ABAQUS/CAE、隱式求解器模塊ABAQUS/Standard、顯式求解器模塊第三章單元體截面形態(tài)對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影響在仿生工程學(xué)的研究發(fā)展過程中，通過物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、形狀、能量具體實驗安排如表3.1所示。命名為C1、C2、C3，其頻率改變，電流和脈寬固定。3.1Table 1552553A3（B355445535654753圖 Sectionalviewsofdifferentunit單元體的外部輪廓，直接讀出單元體的面積數(shù)值及其寬度和深度值，記錄在表3.2中。3.2 Sectionalsizeofthebioniccoupling3.2Table Thesizeofdifferentunitsection寬度深度度平均增加26%，脈沖電流和頻率對單元體深度的影響相差不大，當(dāng)脈沖電流每增加均增大17%左右?？鼓p性能也較未處理試樣提升了10%左右。體表面出現(xiàn)凸起的不規(guī)則褶皺，引起應(yīng)力集中，加重了疲勞磨損的程度。單元體冷卻Fig. TheweightlossofABCgroupswithdifferentsectional圖3.4為B組仿生試樣疲勞磨損試驗后的表面形貌,其中右側(cè)黑域為單元體。從 B3.4B ThewornSurfaceappearanceofB由圖3.4中的疲勞磨損坑的形貌可以看出,其呈小而深的扇形麻點狀,從經(jīng)過疲勞磨損實驗的未處理試樣(B0試樣)表面選取磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域，用表面形貌儀對其磨c（3.5（b）所示），由圖中可以看出，疲勞磨損坑的截面呈V型，深度大0.25mm，且斷口比較粗糙，因此我們可知，實驗過程中的疲3.5(a)；(b)CFig. Three-dimensionalshapeoffatiguepitting(a)andscanningcurveofthepointc3.6基體和單元體的XRD X-raydiffractionlineprofilesofthesubstrateand基體的衍射峰半高寬（fullwidthathalfa，簡稱FWHM）為0.313°，而 β為衍射峰的半高寬，θ為布拉格衍射角。X射線衍射峰的半高寬變大則晶粒尺寸D減從圖3.1不同截面形態(tài)的單元體的光鏡中可以看出，單元體出現(xiàn)了明顯的分層，其組織形貌如圖3.7所示。3.7SEM：（a）基體;（b）熔凝區(qū);（c）熔凝區(qū)和相變區(qū) SEMmicrographsofthesubstrate(a),meltingzone(b),thejunctionofMZTZ(c),transitionzone比基體提高143%。圖 Themicrohardnessofdifferentunitssectional

1.maxa

…………(3-一般情況下，硬度梯度過大時，容易在過渡區(qū)內(nèi)萌生微裂紋而導(dǎo)致剝落，但是用于在有利的殘余壓應(yīng)力，能夠降低萌生微裂紋的可能性，提高了材料的接觸疲勞。激應(yīng)該合理匹配。大量現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)表明：車輪與鋼軌表面硬度的最佳比例應(yīng)為1.2:1570HV[87]，因此鋼軌表面的顯微硬度應(yīng)保持在410HV～480HV之間為宜。3.9（a）所示，基體及單元體處的網(wǎng)格劃分如圖中（b）所示。仿生耦合試樣的尺寸及材料參數(shù)如表3.3所示。3.9（a）有限元分析模型；（b） Thetypicalmodelinfinite ysis(a),finiteelementgenerationofunits3.3 BionicCouplingSampleparametersfornumerical --- 3.10應(yīng)力云圖（a）未處理試樣；（b） Stressnephogramofuntreatedsample(a)andbionicsample抗塑性變形的能力增強，使整個試樣的疲勞得到提高。由圖3.11中的曲線3.11 Stresscurveofdifferentunitssectionalcdcd3.12（a）未處理試樣；（b） ysisofuntreatedsample(a)andbiomimeticsample結(jié)構(gòu)能夠提生試樣整體的塑性變形抗力。第四章單元體形狀對U71Mn紋狀、網(wǎng)格狀單元體的仿生試樣分為四組并命名為D0、D1、D2、D3。表 Table Experimental554.1Fig. Sketchesofbiomimeticsampleswithdifferentunit平行試驗的平均值，然后將其與未處理試樣的失重量對比，如圖4.2所示。3.9mg，較未處理試樣減少59%；條紋狀單元體試樣的失重量為5.1mg，較未處理試樣減少47%；點狀單元體試樣的抗疲勞磨損性能，但其失重量也比未處理試樣減少了12.5%左右。4.2Fig. Theweightlossofbiomimeticsampleswithdifferentunit明未處理試樣的磨損程度較為嚴(yán)重，其抗疲勞磨損能力差。由D1、D2、D3可以看出，條紋狀單元體的仿生試樣，的是點狀單元體的仿生試樣，但均優(yōu)于未處理試樣。4.3 ThewornSurfaceappearanceofbiomimeticsampleswithdifferentunitK)，從而能延長疲勞裂紋的起始，最終增加材料的疲勞。系等等，總結(jié)出了許多計算疲勞極限的經(jīng)驗：σ-1 (4- 體形狀及加工示意圖如圖4.4所示。圖4.4（a）點狀仿生試樣；（b）條紋狀仿生試樣；（c）網(wǎng)格狀仿生試樣Fig.4.4 Thesketchesofbiomimeticsampleswithpunctateunits(a),striateunits(b),reticulateunits(c)0.2%的點作一直線，使其平行于拉伸曲線中的彈性直線部分，其與拉伸曲線相交點的應(yīng)力值FNE作為屈服強度。因本實驗中原始標(biāo)距L024mm，所以選取等效0.048mm對應(yīng)的應(yīng)力值作為FNE。屈服強度（YieldStrength，YS）和抗拉強度(TensileStrength，TS)由4-3中 YS= TS

……(4-圖 9.2%、14.6%、18.6%；抗拉強度分別比未處理試樣的表 Table ResultsoftensilepropertySpecimenσb時，仿生試樣基體承受的拉應(yīng)力要小于這一數(shù)值，要想將其拉斷，必須繼續(xù)提高外4.6未處理試樣（a）和仿生試樣（b） Modelforneckingprocessofuntreatedsample(a)andbiomimeticsample域I中的塑性變形也會受到單元體的阻礙，迫使區(qū)域I ，如中所示 (4-擴展方式會受到影響，其示意圖如圖4.7所示。4.7 Theschematicdiagramofunitpreventcrackfrom單元體凝固時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，在基體與單元體交界處發(fā)生晶格切變，存在極大的應(yīng)變其抗疲勞裂紋擴展的機理不盡相同。如圖4.8（a）所示，當(dāng)接觸疲勞裂紋擴展過程中4.8（b）為條紋狀單元體阻礙疲勞裂紋擴展的示意圖，當(dāng)裂紋擴展過程中遇到條紋于機車前進方向的橫向繼續(xù)擴展；圖4.8（c）為網(wǎng)格狀單元體阻礙疲勞裂紋擴展的示4.8不同單元體形狀的試樣阻礙裂紋擴展示意圖（a）（b）條紋狀；(c) Theschematicdiagramofdifferentshapedunitspreventcrackfrompropagating:(a)punctateunits,(b)striateunits,(c)reticulateunits計算其平均值并記錄于圖4.10中。4.9Fig.4.9Modelsinfiniteelementysisofbiomimeticsampleswithdifferentunit4.10 Surfacestressofbiomimeticsampleswithdifferentunit第五章單元體分布間距對U71MnA35.1Table Variousunitdistanceofthebiomimetic SpecimenUnit34 35363744 4546475455G5657圖 Fig. Sketchesofbiomimeticsampleswithdifferentunit平均值，然后將其與未處理試樣的失重量進行對比，如圖5.2所示。67G4G三組試樣進行組間對比（Ex、Fx、Gx對比），發(fā)現(xiàn)其失重量的變化具有類似的規(guī)律，試樣的耐磨損能力反而下降。例如，當(dāng)單元體橫向間距為7mm時，試樣的失重量為5.2不同單元體間距的仿生試樣的失重量：（a）E（b）F；（c）G Theweightlossofbiomimeticsampleswithdifferentunitdistance:(a)group(b)groupF,(c)group有最優(yōu)的抗疲勞磨損能力，且由于E、F、GF5.3所示。 ThewornSurfaceappearanceofgroupF4、F3、F2F2F1F2試樣有所下降。圖 Schematicdiagramofcrosssectionb5.5所示。圖 Crosssectionalmicrohardnessofdifferentunit時，單元體將進行低溫回火，單元體內(nèi)的馬氏體分解，從馬氏體中析出-碳化物上，即形成回火馬氏體（M回）。這種低溫回火不僅可以使材料保留淬火后的高硬度和250350℃回火時，將產(chǎn)生第一類回火脆性現(xiàn)象[96]，仿磨損失重量的結(jié)果也證明，其耐磨損能力不如F2試樣。處的應(yīng)力值并計算其平均值，如圖5.7所示。圖 Modelinfiniteelement5.7 Surfacestressofbiomimeticsampleswithdifferentunit應(yīng)變要比U區(qū)大很多。當(dāng)滾軸在仿生試樣表面做滾動磨損時，所有的滾軸將同時作用于橫向單元體或者M區(qū)，磨損過程中的任意時刻，F(xiàn)1、F4試樣表面既有滾軸作用于橫向單元體上，又有滾軸作15點的橫向單元體上，這將加重此處單元體的疲勞磨損程度。5.8 Loadconditionsofbiomimeticsampleswithdifferentunit縱向間距為4mm時，仿生試樣具有最佳的耐磨損性能。生試樣在疲勞磨損過程中做均勻應(yīng)變運動，在這些因素的共同影響下，F(xiàn)2第六章結(jié)論本根據(jù)仿生耦合理論，采用激光熔凝技術(shù)處理試樣表面，研究仿生試樣單元體的形態(tài)耦元和特征量的變化對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影響，并得出以下結(jié)論：為5mm、縱向間距為4mm時，仿生試樣具有最佳的耐磨損性能。參考文獻胥軍,胥祥.中國高鐵發(fā)展概述[J].硅谷2014,7(18-卿三惠,李雪梅,卿光輝.中國高速鐵路的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新[J].高速鐵路技術(shù),2014,(01):1-7.鐘雯,趙雪芹,王文健,等PD3U71Mn鋼軌疲勞裂紋擴展特性研究[J].中國機械工程,2008,(14):1740-1743.劉啟躍,張波.鐵路鋼軌損傷機理研究[J].中國機械工程2002,13(181596-史密斯.鋼軌滾動接觸疲勞的進一步研究[J].中國鐵道科學(xué)2002,038-劉啟躍,王文健,鐘雯,等.鋼軌分級使用的試驗研究[C].2008年中國機械工程學(xué)會年會摩擦學(xué),2008.鄒定強,邢麗賢,高春平.PD3鋼軌軌頭踏面剝離裂紋和核傷斷裂原因的檢驗分析[R][J].無損檢測,2003,32(1):12-16.張偉,郭俊,劉啟躍.鋼軌滾動接觸疲勞研究[J].潤滑與密封2005,06195-JamisonW.Wearofsteelincombinedrollingandsliding[J].ASLETRANSACTIONS,1982,25(1):71-78.金學(xué)松,張繼業(yè),溫澤峰,等.輪軌滾動接觸疲勞現(xiàn)象分析[J].機械強度2002,(02):250-257.金學(xué)松,沈志云.輪軌滾動接觸疲勞問題研究的進展[J].鐵道學(xué)報,2001,CannonD,PradierH.RailrollingcontactfatigueresearchbytheEuropeanRailResearchInstitute[J].Wear,1996,191(1):1-13.劉啟躍,張波,周仲榮.鐵路鋼軌損傷機理研究[J].中國機械工程2002,1596-劉學(xué)文,鄒定強,邢麗賢,等.鋼軌踏面斜裂紋傷損原因及對策的研究[J].中國鐵道科學(xué),2004,25(2):82-87.盧觀健，楊克.鋼軌傷損的形態(tài)特征及其失效機理[J].鐵道學(xué)報1996,120-DonzellaG,FaccoliM,GhidiniA,etal.ThecompetitiveroleofwearandRCFinarailsteel[J].Engineeringfracturemechanics,2005,72(2):287-308.王文健,劉啟躍.車輪踏面剝離機理研究[J].機械2004,31(612-鐵路工程.鐵路車輪,輪箍失效分析及傷損圖譜 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