高速列车车轴疲劳损伤和微组织演化的非线性超声评价

高速列车是一种高效运输工具，备受世界各国的青睐。车轴是高速列车中车辆转向架的关键承载部件，其疲劳破坏直接危及高速列车的运输安全。本项目针对高速列车车轴的疲劳损伤和微组织演化开展无损评价研究，提出采用非线性超声评价金属材料疲劳损伤的状态。通过研究超声波传播产生的二次谐波与疲劳损伤材料微结构演化之间的关系，结合金属材料中的位错弦和位错偶等模型理论，将表征材料微观组织结构的参数引入超声二次谐波声场的解析解中，构建超声二次谐波与金属材料微观组织结构演化之间的数学模型；对不同疲劳损伤状态下的材料进行显微组织分析，获得材料微观组织参数并进行数学模型计算；对不同疲劳损伤状态下的材料进行非线性超声实验测量，研究实验测量结果和数学模型计算结果之间的关系。本项目的研究可望建立采用非线性超声技术定量表征金属材料疲劳损伤状态的新方法和理论，发展一种能够对高速列车车轴早期性能退化作出检测和预报的有效方法。

近年来非线性超声理论及相关技术引起了人们的广泛重视，越来越多的研究表明材料性能退化与超声波的非线性效应密切相关。本项目针对高速列车车轴钢材料在外载荷作用下的损伤和微组织演化开展无损评价研究，提出了采用非线性超声评价金属材料损伤状态的无损检测方法。以LZ50车轴钢和Q235碳钢为实验材料，在离线条件下采用单向拉伸加载和拉-拉疲劳加载，研究了两种结构钢材料早期性能退化和非线性系数之间的变化关系。进一步对不同损伤状态下的材料进行显微组织分析，获得材料微观组织参数，通过研究超声波传播产生的二次谐波与损伤材料微结构演化之间的关系，建立了超声二次谐波与金属材料微观组织结构演化之间的联系。研究表明，基于非线性超声的声学参量与材料的加载应力、疲劳次数、微观晶粒尺寸间存在明显的对应关系，本项目的研究成果对利用非线性超声技术无损评价金属材料的损伤打下了一定基础，对进一步发展相应的新方法和理论具有借鉴作用。此外，在本项目的资助下，还开展了利用Rayleigh表面波和Lamb波进行非线性超声无损检测的研究。