超长寿命区间高速列车钢轨焊接接头的疲劳失效机理研究

The safety accident happened frequency with the rapid development of high-speed train,and fatigue fracture failure of welded joint is still the main form of accidents. Current research mainly focuses on fatigue failure problerm of light alloy welded joint in the body of high-speed train, ignoring the risk of fatigue failure of train rail steel welded joint in super long life range.This project proposed for welded joint of high-speed train U75V rail to stduy the fatigue behavior and explore behavior and mechanism of action in the ultra-long life interval;Mathematical relationship and model between the fatigue life and defects area under the condition of fatigue life completely dominated by internal defects of welded joint, and based on the theory of fracture mechanics and numerical simulation methods to achieve life prediction and evaluation;Research on corrosion fatigue of rail welding joint before and after ultrasonic surface rolling processing based on the complex service environment of high-speed train rail, exploring fatigue fracture mechanism under the dual function between internal defects and external,and the feasibility of corrosion resistance fatigue by ultrasonic surface rolling technology.

随着高速列车的快速发展，列车安全事故频发，其中焊接接头的疲劳断裂失效仍然是事故发生的主要形式。当前的研究主要针对于高速列车车身车体轻质合金焊接接头的疲劳失效问题，忽略了列车钢轨钢焊接接头在超长寿命区间存在的疲劳失效风险。本项目拟针对高速列车U75V钢轨焊接接头进行其在超长寿命区间的疲劳行为研究，借助超声表面滚压技术，探索焊接接头内部缺陷及接头表面残余应力在超长寿命区间的行为及作用机制；建立完全由焊接接头内部缺陷主导疲劳寿命时缺陷与疲劳寿命之间的数学关系模型，并基于断裂力学理论和数值模拟方法实现其疲劳寿命预测和评估；基于高速列车钢轨复杂的服役环境，进行超声表面滚压处理前后钢轨焊接接头的腐蚀疲劳研究，探索其在内部缺陷和外部腐蚀双重作用下的疲劳断裂机理及超声表面滚压技术的抗腐蚀疲劳性能的可行性研究。

高速列车的快速发展对钢轨的要求越来越高，特别是随着我国高速列车速度的不断提升，钢轨的质量是保证高速列车安全平稳运行的关键。焊接作为钢轨的主要连接方式，其承受动载荷的能力较差，是影响高铁安全性能的主要因素之一。. 本文以U75V钢轨闪光焊接头作为研究对象，采用超声表面滚压技术强化焊接接头表面，分析了表面强化机制，研究了该接头在强化后的高周/超高周疲劳、腐蚀疲劳及接触疲劳性能。探索了焊接接头内部缺陷在表面硬化、残余压缩应力等作用下对于裂纹萌生的影响机制。结果表明：覆盖率：300%，电流：0.5 A，频率：20-27 KHz，振幅：6.5-7.5 μm，滚压头和试样间的相对速度：10 mm/min，滚压头直径：15 mm，静载荷：400 N等超声表面滚压加工参数能够在焊接接头表层形成梯度纳米结构、残余压应力的同时获得较低的表面粗糙度。位错是表面纳米强化的主要机制。在200000循环次数下，滚压处理前后焊接接头的疲劳强度分别为256 MPa和314 MPa，滚压处理后接头的疲劳性能提高了23 %。滚压处理接头经人工海水腐蚀后的疲劳强度为290 MPa，说明超声表面滚压能够较好维持接头的腐蚀疲劳性能。在超长寿命区间，超声表面滚压处理后闪光焊接头的疲劳S-N曲线仍随着应力水平的降低而下降，不存在明显的疲劳极限，且滚压处理接头的疲劳寿命高于原始焊态接头。超长寿命区间疲劳裂纹源都位于试样次表面的气孔、夹杂物等缺陷位置。特别的，滚压处理试样的疲劳裂纹源在表面压缩残余应力、表面硬化等作用下进一步向内部转移。超声表面滚压处理接头表面的磨损量显著降低，耐磨性提高了1.29倍。同时，接触疲劳性能得到显著改善，当最大应力降低到3300 MPa时，表面处理试样的接触疲劳寿命在达到100000000循环周次时仍然未发生断裂。. 超声表面滚压技术作为一种新兴的表面纳米强化技术能够在被处理材料表面一定深度内形成梯度纳米结构、压缩残余应力及加工硬化层，这为提高材料的抗疲劳/耐腐蚀/耐摩擦/磨损等性能提供了有效的技术手段。