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科研进展
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复杂环境下高铁EA4T车轴腐蚀疲劳行为及强度评估方法
发表时间:2021-02-28 阅读次数:251次

背景简介

中国高铁已由大规模建设进入高质量运维阶段,部分关键部件失效风险加剧,运维任务繁重、成本攀升。作为高速列车的临界安全部件,空心车轴在实际运行中易于形成异物致损(FOD),严重破坏车轴的结构完整性,并使车轴直接暴露在冰、雨、雪、潮湿或者海洋性大气等腐蚀环境中,导致车轴表面发生点蚀、丝状腐蚀和晶间腐蚀等,加速疲劳裂纹形核和短裂纹扩展,使结构在远低于大气疲劳极限的应力水平失效。为此,对损伤车轴在腐蚀环境下的疲劳行为以及疲劳强度和剩余寿命评估至关重要。川藏铁路的建设,以车轴为代表的关键部件服役更为复杂,也面临着极寒、辐照、高温和腐蚀等极端环境考验。亟待加强和重视高铁EA4T车轴腐蚀疲劳损伤模式、抗腐蚀疲劳机制、剩余寿命及延寿再制造研究。

成果介绍

(1)开展了高铁EA4T合金钢车轴材料光滑试样和划痕试样在大气和3.5%NaCl盐溶液中的旋转弯曲高周疲劳试验。研究发现,在腐蚀性介质中,光滑试样和划痕试样的疲劳强度和寿命均显著降低,尤其是在低应力长寿命区间。例如,在腐蚀环境中,光滑试样会在远低于大气疲劳极限(326 MPa)的低应力水平(200 MPa)发生腐蚀疲劳破环。可见,腐蚀环境严重降低了材料的疲劳极限(或者疲劳极限消失),给腐蚀疲劳强度设计和寿命评估带来了严峻挑战(见图1)。

图1. 高铁EA4T合金钢车轴材料在大气和3.5%NaCl盐溶液中的高周疲劳S-N曲线:(a) 光滑试样;(b) 划痕试样(划痕深度约为500 μm)

(2)观测了高铁EA4T合金钢车轴材料光滑试样和划痕试样在3.5%NaCl盐溶液中的高周疲劳失效断口。结果表明,两类试样的腐蚀疲劳断口均呈现多源裂纹萌生,在裂纹稳定扩展区存在二次裂纹和破碎的氧化层。光滑试样表面随机分布的腐蚀坑是导致多裂纹萌生的关键因素,腐蚀性介质显著促进了微裂纹萌生和快速扩展,从而使得车轴材料的腐蚀疲劳性能恶化(见图2)。

图2. 在3.5%NaCl盐溶液中高铁EA4T合金钢车轴材料的高周疲劳失效断口:(a) 光滑试样;(b) 划痕试样

(3)在阶梯疲劳评估框架(Stepwise Fatigue Assessment Framework,SFA)下,基于El-Haddad模型的修正Kitagawa-Takahashi(KT)图量化了EA4T合金钢车轴材料表面缺陷尺寸对其在大气和腐蚀环境中疲劳强度的影响。El-Haddad模型与坐标轴包围的区域被视为安全区,认为在安全区以内的材料能够长久安全服役而不发生疲劳破坏。可见,材料在腐蚀环境中的安全区远小于大气环境,其源于腐蚀环境降低了材料的疲劳极限和疲劳裂纹扩展门槛值(图3)。

图3. 基于El-Haddad模型的修正KT图以评价大气和3.5%NaCl溶液中缺陷尺寸对高铁EA4T车轴材料疲劳强度的影响:(a) 大气环境;(b) 腐蚀环境

 

该项研究得到了川藏铁路项目群、国铁集团系统性重大课题及英国工程与自然科学研究理事会和欧洲委员会“地平线2020”计划的支持。

 

引文格式:

GB/T 7714

Hu Y, Wu S, Withers P J, et al. Corrosion fatigue life assessment of high-speed railway EA4T steel with artificial scratches[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2021: 107588.

MLA

Hu, Yanan, et al. "Corrosion fatigue life assessment of high-speed railway EA4T steel with artificial scratches." Engineering Fracture Mechanics (2021): 107588.

APA

Hu, Y., Wu, S., Withers, P. J., Cao, H., Chen, P., Zhang, Y., ... & Hutař, P. (2021). Corrosion fatigue life assessment of high-speed railway EA4T steel with artificial scratches. Engineering Fracture Mechanics, 107588.

(图文供稿:西南交通大学吴圣川;

网络编辑:侯志伟,费嘉文,温建锋)