（机械工程专业论文）铁路货车螺旋弹簧疲劳寿命研究.pdf

摘要 摘要 螺旋压缩弹簧是铁路货车的重要部件，对整个车辆起着减震和支撑作用，近年来为 了适应提速、重载的要求，货车运行的工况发生了巨大变化，对转向架采用的螺旋压缩 弹簧性能提出了更高的要求。弹簧的过早折断直接对铁路货车的运行安全造成威胁，造 成直接和间接的经济损失巨大。 统计结果表明，弹簧疲劳断裂占弹簧断裂失效的8 0 9 0 ，因此其疲劳寿命的研究 尤为重要。影响弹簧疲劳寿命的原因比较复杂，除与设计是否合理之外，原材料质量、 热处理性能、弹簧的表面质量及几何形状尺寸都是影响产品寿命的关键因素。 本文通过大量实验和理论分析研究了6 0 s i 2 c r v a t 原材料的化学成分、偏析、非金 属夹杂物及组织中局部残留的颗粒较大、数量较多的球状碳化物对弹簧的疲劳寿命的影 响。在热处理工艺方面，通过对弹簧钢的热卷制温度、热处理曲线等热加工工艺的研究 揭示了目前国内弹簧生产普遍采用的弹簧生产工艺中余热淬火和重新加热淬火两种热 加工工艺对疲劳寿命的不同影响。 通过应力数学模型的建立以及大量材料疲劳试验，研究了卷制几何尺寸对弹簧疲劳 寿命的影响。弹簧疲劳寿命的薄弱环节在弹簧支承圈与工作圈的接触部位，因此该部位 的几何形状尤为重要，以保证加载过程中，弹簧支撑圈与工作圈接触为较长的线接触， 减小接触应力。本文还研究了，喷丸处理对弹簧疲劳寿命的影响，喷丸处理产生冷作硬 化层一表面强化层。该强化层内造成很大的残余压应力，由于弹簧表层的残余压缩应力 的存在，使弹簧在承受交变载荷时，可以抵消一部分交变载荷中的拉应力分量，因此对 弹簧的疲劳寿命极其有利。 在以上各项研究成果的指导下，经过合理选用原材料，改变传统的弹簧制造尺寸， 采用完全淬火热加工工艺，强化抛丸处理，生产企业弹簧制造质量显著提高，弹簧实物 疲劳寿命均满足标准要求；对已装车运用的7 2 0 0 辆份，各项性能指标完全满足目前铁 路货车提速的需要，没有发现质量问题，各项研究成果可以在提速货车上广泛应用。 关键词：铁路货车；余热淬火；组织；性能 大连交通人学t 稗硕十学位论文 a b s t r a c t h e l i c a lc o m p r e s s i o ns p r i n g sa r ec r i t i c a lc o m p o n e n t si nr a i l w a yf r e i g h tw a g o n sa st h e y s u p p o r ta n dd a m pw h o l ew a g o n s i nr e c e n ty e a r s 硒f r e i g h tw a g o n sa r er e q u i r e dt or u na t i n c r e a s e ds p e e da n dl o a d i n gc a p a c i t y , l o a d i n gc o n d i t i o n so nf r e i g h tw a g o n sh a v et a k e ng r e a t c h a n g e s ，w h i c ht h e r e f o r ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nb o g i eh e l i c a lc o m p r e s s i o n s p r i n g s t h ep r e m a t u r eb r e a ko fs p r i n g sn o to n l yp o s e sag r e a tt h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o no f r a i l w a yf r e i g h tw a g o n s ，b u ta l s oc a u s e se n o r m o u sd i r e c ta n di n d i r e c te c o n o m i cl o s s e s s t a t i s t i c sh a v es h o w nt h a tf a t i g u eb r e a ka c c o u n t sf o r8 0 t o9 0 o fb r e a kf a i l u r ef o r s p r i n g s t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tt od or e s e a r c ho nf a t i g u el i f eo fs p r i n g s f a c t o r s a f f e c t i n gf a t i g u el i f eo fs p r i n g sa r ev e r yc o m p l i c a t e d ，i n c l u d i n gd e s i g n , r a wm a t e r i a l sq u a l i t y , h e a tt r e a t m e n t ，s p r i n gs u r f a c eq u a l i t ya n dp h y s i c a ld i m e n s i o n s t h ep a p e rp r e s e n t se x t e n s i v ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da n a l y s i so n s i g n i f i c a n te f f e c to f6 0 s i 2 c r v a tr a wm a t e r i a l so nf a t i g u el i f e o fs p r i n g si nc h e m i c a l c o m p o s i t i o n , s e g r e g a t i o n , n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s ，a n dl o c a lr e s i d u a ls p h e r o i d a lc a r b i d eo f l a r g e rg r a i na n dq u a n t i t yi ns t r u c t u r e r e s e a r c hi nh o tr o l l e dt e m p e r a t u r eo fs p r i n gs t e e l ，h e a t t r e a t m e n tc u r v ea n do t h e rf a c t o r si nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sh a sd e m o n s t r a t e dt h a ti nd i f f e r e n t c u r r e n tc o m m o ns p r i n gp r o d u c t i o np r o c e s s e s ，r e s i d u a lh e a tq u e n c h i n ga n dr e h e a tq u e n c h i n g c o u l dc a u s ec h a n g ei nf a t i g u el i f e b ym a t h e m a t i cs t r e s sm o d e la n de x t e n s i v ef a t i g u et e s t so nm a t e r i a l s ，e f f e c to fr o l l e d p h y s i c a ld i m e n s i o n so ns p r i n gf a t i g u el i f ei sd e m o n s t r a t e d 1 1 1 ep h y s i c a ld i m e n s i o n so f c o n t a c tb e t w e e ns p r i n gs u p p o r t i n gc o i la n dw o r k i n gc o i l8 ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t ，舔i ti st h e w e a kp o i n ti ns p r i n gf a t i g u el i f e i nl o a da p p l i c a t i o np r o c e s s ，i ft h ec o n t a c tb e t w e e n s u p p o r t i n gc o i la n dw o r k i n gc o i li sl o n g e rl i n e a r ，t h ec o n t a c ts t r e s sw i l lb er e d u c e d i nt h e p a p e r , e f f e c to fs h o tb l a s tt r e a t m e n to ns p r i n gf a t i g u el i f ei sa l s os h o w n a f t e rt h es h o tb l a s t ，a c o l dh a r d e n i n gl a y e r ( c a s ep e n n i n gl a y e r ) i sf o r m e d ，w h e r ea l a r g er e s i d u a lc o m p r e s s i v e s t r e s s e x i s t t h e r e f o r ew h e nt h es p r i n gi sl o a d e dv a r i a b l y , s u c hr e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s sc a n o f f s e tac e r t a i na m o u n to ft e n s i l es t r e s si nv a r i a b l el o a d ，f a v o r a b l ya f f e c t i n gf a t i g u el i f eo f s p r i n g s b a s e do na c h i e v e m e n t sm a d ei nt h ea b o v er e s e a r c h e s ，s p r i n g sq u a l i t yh a sb e e ni m p r o v e d d i s t i n c t i v e l yb yr e a s o n a b l es e l e c t i o no fr a wm a t e r i a l s ，c h a n g eo ft r a d i t i o n a lp r o d u c t i o n d i m e n s i o n so fs p r i n g s ，a d o p t i o no fc o m p l e t eq u e n c h i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa n ds h o tb l a s t t r e a t m e n t a l ls p r i n g sp r o d u c e di ns u c hw a yh a v em e ts t a n d a r dr e q u i r e m e n t si nf a t i g u el i f e a l ls p r i n g sf i t t e dt o7 2 0 0f r e i g h tw a g o n sc a nc o m p l e t e l ym e e to p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so f f r e i g h tw a g o n sa th i g h e rs p e e d ，a n dn oq u a l i t yi s s u eh a sa p p e a r e d t h e r e f o r ei tc a nb e 摘要 c o n c l u d e dt h a ta l lt h ea b o v ea c h i e v e m e n t sc f l l lb ea p p l i e dt os p r i n g st of r e i g h tw a g o n sw i t h i n c r e a s e ds p e e d k e yw o r d s ：r a i l w a yf r e i g h tw a g o n s ：h e a tq u e n c h i n g ；s t r u c t u r e ；t r e a t m e n t i i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整壅通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张到孺 日期：砂g 年矽月膨日 导师签名：列胆 日期：雕年胁月l 多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：乓二心勉力砌习 通讯地址砖乞易幼隧媚氇_ 缎殇，哆 电子信箱：z 口叼谬7 秒5 舭伽 电话：彬2 一秒易多2 77 邮编：，一p 夕 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 琨胁 刘月 r 瓜 各 年 签 者 删 懈 川 池 ： 位 期 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 圆柱螺旋压缩弹簧是铁路货车的重要部件，对整个车辆起着减震和支撑作用。长期 以来，我国铁路货车的主导转向架为设计于二十世纪五六十年代的转8 a 型转向架。由 于转8 a 型转向架弹簧采用非精炼弹簧钢，表面也未经磨光处理，因此抗疲劳能力差， 反映在运用中的枕簧经常发生断裂现象；危及行车安全。大量的疲劳试验证明，用上述 材质卷制的枕簧，在常用载荷下，其疲劳试验寿命一般在6 0 8 0 万次。 上世纪九十年代中后期，由于铁路货车的提速和重载，新型铁路货车产品要适应货 物运输重载化、快捷化技术的要求。在运行速度方面：快运货物列车速度要求最高 1 2 0 k m h ，普通货物列车最高速度9 0 k m h ( 未提速前为6 0 7 0 k i n h ) 。在列车总质量方 面：普通货物列车3 0 0 0 - 4 0 0 0 t ，重载货物列车5 0 0 0 t ，个别线路将达2 0 0 0 0 t 。车辆在运 行中承受的载荷及其频率大幅提高，增大了冲击和振动的影响，必须使用更高抗拉强度 和疲劳强度的弹簧来吸收冲击震动的能量。 作为转向架关键部件的弹簧的疲劳寿命也由1 0 0 万次提高到了目前的3 0 0 万次，许 用应力也由7 5 0 m p a 提高到了1 0 5 0 m p a ，因此，对转向架弹簧的制造工艺要求也越来越 高。全路各工厂的工艺人员们多年来一直在探索着弹簧制造新材料、新工艺，并取得了 一定的效果。弹簧的原材料已由最初的热轧普通弹簧钢6 0 s i 2 m n 改变为目前的热轧精炼 银亮钢，材质为6 0 s i 2 c r v a ，制造工艺由最初的手工半自动卷制发展为现在的自动化生 产线，弹簧的制造质量有了明显的提高，但在目前的运用和试验过程中，还经常发生弹 簧早期失效的问题。而随着国民经济的快速发展，铁路货车的制造业必将高速发展，对 转向架弹簧的要求也必将越来越高，因此，对弹簧疲劳寿命本质规律性及其深层次的研 究工作还远远不够，本课题就是在这种背景下设立的。通过更加深入和系统的理论研究， 找到可以有效指导生产实践的先进的弹簧制造工艺。 1 2 提速、重载对铁路货车弹簧的要求 铁路货车提速、重载改变了弹簧的服役条件、应力状态，必须制定新的技术条件以 防止弹簧的过早失效。 大连交通大学t 程硕+ 学位论文 1 2 1 弹簧的服役条件和应力状态 铁路货车的运行工况十分复杂，除专用车辆外，大部分通用货车往返于全国各线， 运输各种货物，弹簧受到气温、空气湿度、雨雪、腐蚀性气体、液体、线路条件等影响 较大。因此铁路货车弹簧应具有较好的抗腐蚀、抗疲劳性能。 铁路货车弹簧为压缩螺旋弹簧，弹簧的负荷特性由弹簧变形时载荷( p ) 与变形量 ( a 1 ) 之间的关系曲线表示，如图1 1 。弹簧载荷有动载荷( 振动) 和静载荷。应力状 态是设计弹簧、选材及热处理的一个极其重要的参数。铁路货车压缩螺旋弹簧在承载时 的应力为扭转( 剪切) 应力【l 】。 4 j 图1 1 弹簧的负荷特性 f i g 1 - 1l o a df e a t u r eo fs p r i n g 1 2 2 弹簧的失效方式 由于铁路货车弹簧服役条件复杂，其失效方式有多种，主要有断裂失效和应力松弛 ( 变形) 失效两大类。在断裂失效中又可分为脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、及 腐蚀疲劳断裂。此外，还有氢脆、黑脆等。其中疲劳断裂占弹簧断裂失效的8 0 9 0 【2 1 。 应力松弛( 变形) 失效也是铁路货车弹簧使用过程中存在的普遍现象，但由于不大影响 车辆运行安全，一般不被重视。 弹簧的早期失效直接对铁路货车的运行安全造成威胁，同时对钢材的浪费也相当严 重、造成直接和间接的经济损失巨大。所以，应严格加以控制。 弹簧失效的原因比较复杂，除与设计是否合理，成形加工质量、安装和使用是否正 确等有关外，弹簧材料好坏和热处理质量是影响产品的关键因素【3 】。 1 2 3 提速重载弹簧的技术要求 铁路货车车辆的运行平稳性和安全性，与弹簧悬挂系统的参数选择有关，为了满足 铁路车辆提速、重载安全的要求，延长车辆用弹簧的疲劳寿命，确保铁路运输的安全， 2 第一章绪论 齐车公司制定了企业标准q q c 3 5 0 9 5 2 0 0 0 铁路货车提速转向架圆柱螺旋弹簧技术条 件，主要技术要求见表1 1 。选用了以6 0 s i 2 c r v a t 为主的新型弹簧钢，目的是使其 力学性能、冶金质量、表面质量都较6 0 s i 2 m n 有较大的提高。6 0 s i 2 c r v a t 与6 0 s i 2 m n 常规力学性能比较见表1 2 。 表1 1 货车弹簧的主要技术要求 t a b l e1 lm a i nt e c h i l i c a lr e q u i r e m e n t so fl o r r ys p r i n g s 项目外圆弹簧内圆弹簧 旋向 左右 有效圈数5 0 57 7 总圈数6 5 59 2 刚度n m 。4 8 9 0 23 8 9 1 5 8 热处理后硬度h r c4 2 4 84 2 - - 4 8 疲劳试验负荷n 2 0 7 3 2 ( 1 + 0 4 ) 1 1 4 8 2 ( 1 + 0 4 ) 疲劳寿命 芝3 0 0 万次 3 0 0 万次 表1 - 2 新旧两种弹簧钢性能指标比较 t a b l e1 - 2p e r f o r m a n c ed a t ac o m p a r i s o no ft h ef o r m e ra n dt h el a t e s ts p r i n gs t e e l s 性能指标 l m p ar m m p aa 5 z 6 0 s i 2 c ，心吼 芝1 6 6 51 8 6 0之8 0 3 0 6 0 s i 2 m n 三1 1 7 6之1 2 7 4 之5 2 5 1 3 疲劳寿命研究发展状况 1 3 1 国外发展状况 有记载的最早进行疲劳试验是德国的w a 艾伯特【1 】。法国的j v 彭赛列首先论述了 疲劳问题并提出“疲劳”这一术语【4 】。但疲劳研究的奠基人则是德国的a 沃勒，他在1 9 世纪5 0 - 6 0 年代最早得到表征疲劳性能的s - n 曲线并提出疲劳极限的概念【5 】。2 0 世纪5 0 年代p j e 福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后n 汤 普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带f 6 】 。后来证明，驻 留滑移带常常成为裂纹源。1 9 2 4 年德国的j v 帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴 承的累积损伤与其转动次数成线性关烈1 l 。1 9 4 5 年美国m a 迈因纳明确提出了疲劳破 坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦迈因纳定律，简称迈因纳定律【8 】。此后，断裂 大连交通大学t 程硕十学位论文 力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。用概率统计方法处理 疲劳试验数据，是2 0 世纪2 0 年代开始的。6 0 年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产 品发展到机械产品。 2 0 世纪6 0 年代末，国外疲劳机理的研究有很大发展，使人们对于疲劳的基本过程 和行为有了较清楚的了解，并在改进老材料和发展新材料中发挥了作用。材料疲劳的研 究成果也使工程设计发生了巨大的变化，目前国外在飞机、汽车、电站设备、锅炉及压 力容器、海洋工程、原子能工程等方面，都己采用或部分采用了疲劳强度设计，以取代 传统的静强度或类比强度设计。虽然疲劳的研究取得了很大的进展，但人们还没有完全 掌握疲劳断裂的规律和本质，还不能完全防止因疲劳断裂引起的灾难性事故。在美国、 德国、英国和日本等工业发达国家，疲劳的研究日益受到重视，从工业部门到高等学校 和科研机构都有水平较高的研究力量和现代化的实验设备，并且通过国家投资建立了实 验中心，通过协调机构统一安排不同层次的研究工作。例如德国现有5 0 0 多个材料试验 所( 站) ，进行着包括疲劳在内的材料力学性能的研究，其中斯图加特大学的国立材料 试验所( m v i p a ) ，由战后的十几人发展到今天的2 0 0 多人，每年经费达到几亿马克之 巨，已成为西欧电站材料和设备的强度研究中心。 1 3 2 国内发展状况 为改变我国机械产品设计的落后局面，加强国际竞争能力，我国于几年前提出了关 于振兴疲劳强度设计的研究报告。同国外一样，我国材料疲劳的研究比结构疲劳的研究 起步要晚，大体始于2 0 世纪6 0 年代初。前2 0 年，由于种种原因，屡遭挫折，甚至被 迫完全停止，只是到了2 0 世纪8 0 年代，才有了一个稳定发展的环境。“六五 期间， 在国家科委的资助下，中科院金属所、中科院力学所、西安交通大学、华中工学院、北 京钢铁学院( 现北京科技大学) 和清华大学使用承担了国家科委重大基础理论课题。与 此同时，在中国科学院的资助下，中科院力学所、金属所、腐蚀与防护所和固体物理所 共同承担了重大基础研究项目“材料的变形、损伤和断裂行为的机制及其力学理论的研 究 。由于我国材料疲劳的研究比国外发达国家晚起步半个多世纪，虽然个别成果目前 已进入国际先进行列，但从总体上讲，与先进国家相比，还存在很大差距，我们还缺乏 开创性的、处于领先地位的研究成果，研究成果的工程应用才刚刚开始。 随着市场经济的建立和扩大对外开放的不断深入，以及加入w t o 之后，我国产品 将面临严重的挑战，产品的高质量和合理的价格是在竞争中取胜的必要条件。因此，改 变传统的生产工艺、生产手段，对产品进行寿命预测和可靠性分析，已刻不容缓，而对 于材料在疲劳载荷作用下的形变与断裂行为的深刻了解，乃是产品设计、寿命预测和可 4 第一章绪论 靠性评估的基础。为适应国民经济发展的新形势，有必要采取有力的对策，加快材料疲 劳断裂研究的进展。 1 4 疲劳寿命理论 随着社会工业化的发展，人们疲劳理论的研究不断得到发展，直至今天人们还在不 断探求各种受力部件得疲劳寿命规律，积累形成的理论已成为人们指导实践的重要理 论。为了更好地研究圆柱螺旋压缩弹簧得疲劳寿命规律，我们必须研究零件的疲劳寿命 理论。 材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一 定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂，叫做疲劳断裂【9 ，1 0 】。在工 程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。在疲劳试验中人 们常常把它们简化成等幅应力循环的波形，并用一些参数来描述。图1 2 中o i 咄和( ，m i n 是循环应力的最大和最小代数值；丫= a m i n g 一是应力比；o m = ( o m 孤+ ) 2 是平 均应力；o a = ( 6 啦x 一) 2 是应力幅。当o m = o 时，o 瑚x 与g m i n 的绝对值相等而符 号相反，丫= 1 ，称为对称循环应力；当o m i n = o 时，y - - 0 称为脉动循环应力。 图1 2 恒幅循环应力 f i g 1 2c o n s t a n t a m p l i t u d ec y c l i n gs t r e s s s - n 曲线d3 】中的s 为应力( 或应变) 水平，n 为疲劳寿命。s n 曲线是由试验测 定的，试样采用标准试样或实际零件、构件，在给定应力比丫的前提下进行，根据不同 应力水平的试验结果，以最大应力g m a x 或应力幅o 。为纵坐标，疲劳寿命n 为横坐标绘 制s n 曲线，见图1 3 。当循环应力中的6 m a x 小于某一极限值时，试样可经受无限次应 力循环而不产生疲劳破坏，该极限应力值就称为疲劳极限。 图1 3 中s - n 曲线水平线段对应的横坐标就是疲劳极限，而左边斜线段上每一点的 纵坐标为某一寿命下对应的应力极限值，称为条件疲劳极限。 大连交通大学t 稗硕+ 学位论文 s l o 1 0 1 0 l o 1 0 e 图1 - 3s - n 曲线示意图 f i g 1 3s k e t c ho fs - nc u r v e 疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3 个阶段【1 4 1 5 】：微观裂纹阶段。在循环加 载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界 和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约 成4 5 0 角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在o 0 5 m m 以内，发展成为宏观裂纹。 宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。瞬时断裂阶段。当 裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。 对应于疲劳破坏的3 个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬 时断裂3 个区【1 1 1 6 】( 见图1 _ 4 ) 。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对 磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩 展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形 貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可 观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳裂纠7 1 9 】。 缓劈游 图l _ 4 疲劳宏观断口示意图 f i g 1 - 4s k e t c h o ff a t i g u em a c r of r a c t u r e 6 第一章绪论 疲劳寿命：在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构 件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂 纹，其长度无统一规定，一般在0 2 一1 o m m 范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳 寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为裂纹形成寿命与裂纹扩展寿命之和【2 0 】。 因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料 视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律 2 1 , 2 2 】。由于s n 曲线是根据疲 劳试验直到试样断裂得出的，所以对应于s n 曲线上某一应力水平的疲劳寿命n 是总 寿命。 在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低 时，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变 成为疲劳破坏的主导因素【2 3 拍】。 为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类【2 7 。2 9 】：高循环疲劳( 高 周疲劳) 。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于1 0 4 1 0 5 的疲劳， 弹簧、传动轴等的疲劳属此类。低循环疲劳( 低周疲劳) 。作用于零件、构件的应力 水平较高，破坏循环次数一般低于1 0 4 1 0 5 的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲 劳。 实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率( 即可靠度) 的问题。具有存活率p ( 如9 5 、9 9 、9 9 9 ) 的疲劳寿命n p 的含义是：母体( 总体) 中有p 的个体的疲劳寿命大于n d 。而破坏概率等于( 1 - - p ) 。常规疲劳试验得到的s n 曲线是p = 5 0 的曲线。 疲劳断裂应力远比静载荷下的材料检验强度低，因此，疲劳断裂在宏观上改变为脆 性的突然断裂。疲劳断裂是损伤的积累，由三个过程组成：( a ) 裂纹的形成( 形核) ； ( b ) 裂纹扩展到临界尺寸；( c ) 余断面的不稳定断裂。 1 4 1 铁路货车弹簧疲劳寿命研究现状 弹簧是一种基础机械零件，它利用材料的弹性和结构的特点，在工作时产生变形， 实现能量的转换，主要用于缓冲或减振、机械储能及控制运动。弹簧质量的高低，直接 影响其服役效率和寿命。弹簧的失效形式主要表现为疲劳断裂，从上世纪五六十年代开 始，国内外就注意到了弹簧的疲劳断裂问题，并开始对其进行了分析研究和大量的试验， 并提出了提高弹簧疲劳寿命的一些工艺方法。主要有通过预应力处理是使弹簧表面产生 有利的残余应力，通过喷丸处理使弹簧表面产生强烈塑性变形，以达到表面强化的目的。 另外，近些年来对铁路货车螺旋弹簧疲劳寿命的研究又取得了一些新的成果。主要有提 7 大连交通大学- 丁程硕士学位论文 速转向架螺旋弹簧原材料的确定，热处理工艺的不断完善以及弹簧卷制几何尺寸对弹簧 疲劳寿命的影响等。 1 4 2 铁路货车弹簧生产存在的问题 1 4 2 1 原材料方面存在问题 原材料制造质量是影响弹簧疲劳寿命的关键。原材料种微量元素直接影响着材料热 处理后的强度和塑性指标，虽然铁路货车转向架弹簧用料已由原来的6 0 s i 2 m n 替换为现 在的6 0 s i 2 c r v a t ，但弹簧钢的组织成份以及弹簧钢最佳的内部成份的均衡性还很难保 证，材料成份与强度的最佳结合点仍旧需要加强研究。同时，材料内部组织缺陷( 偏析、 夹杂、气泡等) 依旧存在。另外材料的表面质量还存在一定问题，原材料表面缺陷( 刻 痕、折叠等) 还时常出现，这些缺陷将引起应力集中，形成疲劳裂纹源，使弹簧过早折 断。因此有必要对6 0 s i 2 c r v a t 原材料冶炼工艺、表面加工工艺进行更深一步的研究。 1 4 2 2 材料热处理方面存在问题 热处理还没有达到优化组织结构、最大发挥材料性能的最佳效果。特别是对于提速 重载后后弹簧钢疲劳的研究，在我国尚处于初级阶段，这些问题亟待研究。 1 4 2 3 弹簧几何形状、外部质量存在问题 弹簧在生产制造过程中，由于碾尖、卷制工序的不稳定性，存在尖部几何形状尺寸 及末端缝隙无法有效保证等质量缺陷。弹簧表面脱碳问题，直接影响着弹簧得疲劳寿命， 这些问题的存在对弹簧得疲劳破坏有着重要影响。 1 5 本文研究的目的和内容 1 5 1 本文研究的目的 多年来，全路各车辆制造科研和工艺人员一直在探索着弹簧制造新材料、新工艺， 并取得了一定的效果。弹簧的原材料已由最初的热轧普通弹簧钢6 0 s 呓m n 改变为目前的 热轧精炼银亮钢，材质为6 0 s i 2 c r v a ，制造工艺由最初的手工半自动卷制发展为现在的 自动化生产线，弹簧的制造质量有了明显的提高，但在目前的运用和试验过程中，还经 常发生弹簧早期失效的问题。随着铁路货车事业的不断发展进步，作为转向架关键部件 的弹簧的疲劳寿命由原来的1 0 0 万次提高到了目前的3 0 0 万次，许用应力也由7 5 0 m p a 提高到了1 0 5 0 m p a ，因此，对转向架弹簧的制造质量要求也越来越高。因此，对弹簧疲 劳寿命本质规律性及其深层次的研究工作还远远不够，本课题就是在这种背景下设立 的。目的在于通过更加深入和系统的理论研究，找到可以有效指导生产实践的先进的弹 簧制造工艺。 第一章绪论 1 5 2 本文研究的内容 要提高铁路货车弹簧的抗疲劳失效的能力，关键是要控制疲劳断裂源的形成。本文 通过建立应力模型以及进行大量材料的综合理化分析，从以下四个方面进行深入研究： 1 、对6 0 s i 2 c r v a t 原材料进行更进一步的研究； 2 、对热处理工艺的进一步研究； 3 、对弹簧卷制几何尺寸的进一步研究； 4 、对表面脱碳和喷丸工艺的进一步研究。 本章小结 通过以上研究，可以发挥出材料提高弹簧疲劳强度的最佳潜能及确定提高弹簧疲劳 强度的最佳几何形状，用以指导大批量生产中采取必要的产品设计、工艺措施，保证铁 路货车外圆弹簧的使用性能与安全。 9 大连交通大学t 程硕十学位论文 第二章试验材料及研究方法 2 1 原材料 为了使试验结果和生产实际紧密结合，本课题试验弹簧钢采用大连钢厂( 东北特钢 公司) 、兴澄钢厂、上海宝钢根据运装货车 2 0 0 4 1 3 4 2 号文铁路货车转向架圆柱螺旋 弹簧技术条件供应齐车公司的6 0 s i 2 c r v a t 光亮钢棒作为研究对象。在研究试验中选 用了三个弹簧钢生产厂家、不同炉号、不同规格的7 种6 0 s i 2 c r v a t 弹簧钢材料，其材 料编号、规格、生产厂家、预处理及试验项目等见表2 1 。 表2 - 1 试验材料 t a b l e2 1t e s tm a t e r i a l s 序号材料、编号、规格预处理 大钢1 l 每根l m ，中频感应加热后空冷 m 1 8 r a m 大钢2每根1 6 0 r a m ，共2 0 根，中频感应加热后空冷，硬 2 0 1 8 m m 度5 0 h r c 左右 大钢3未预处理1 1 根，中频加热后强吹风冷，硬度4 7 h r c 3 1 8 m m的5 根，其余2 l 根硬度不等 大钢4 4 每根l m 长，中频感应加热后空冷 m 2 6 m m 上钢1 5 每根l m 长，中频感应加热后空冷 m 1 8 r a m 上钢2 62 0 精炼料，箱式炉加热到9 1 0 后空冷 m 2 0 m m 兴钢 7每根l m 长，中频感应加热后空冷 1 8 m m 2 2 试验方法 2 2 1 拉伸试验 拉伸试样为图2 1 所示的直径o l o m m 、5 倍的比例试样。 l o 第二章试验材料及研究方法 图2 - 1 拉伸试样 f i g 2 - 1t e n s i l es p e c i m e n 从拉伸断裂后的试样上截取硬度试样，测定洛氏硬度h r c 。设备为w d w 型电子 万能试验机。 2 2 2 疲劳试验 2 2 2 1 三点弯曲疲劳试验 试验设备为m t s 8 8 0 试验机，频率1 2 h z 。三点弯曲疲劳试验加载示意图见图2 2 ， 试验力f = f 0 ( 1 ：t - 0 4 ) 。对于直径为d 的圆棒试样，m 一= f 【群，w z - - - 芤d 3 3 2 ，最大张应 力o m , , = 8 f l g d 。 r j 7 i 2 l r 2 么 图2 - 2 三点弯曲疲劳试验加载示意图 f i g 2 2l o a da p p l i c a t i o nd i a g r a mo ft h r e ep o i n t sb e n d i n gf a t i g u et e s t 2 2 2 2 弯曲+ 接触疲劳试验 为了与弹簧实际工作情况尽可能相符，特采取这种试验方法。这种试验方法与弹簧 支撑圈与工作圈接触部位的实际受力情况虽有很大差距，但有可能反映局部接触引起早 期疲劳断裂的趋势。 首先考虑到弹簧受扭转载荷，弹簧圈任横截面所受应力相等。 大连交通大学工程硕+ 学位论文 对于悬臂梁，如果梁的横截面尺寸沿轴向变化，则称为变截面梁。如果各截面上最 大正应力都相等，这种变截面梁称为等强度梁。本项目采用圆形截面梁。 圆截面等强度悬臂梁式疲劳试样及加载方式示意图见图2 3 、2 - 4 。对图2 3 所示的 悬臂梁， m = f x w z - = 兀d 3 3 2 最大应力a , 删, = 3 2 f x n d 3 d = 3 2 f x n 6 m x d = ( 3 2 f n a , m 匡) 1 倍x 1 乃 在等强度条件下，f f m a x 为常数，则d x 价。 本项目中，取d = 3 7x m ，设计了圆截面等强度悬臂梁试样。如图2 3 、2 4 所示， 试样上a b 间为等强度部分，为本试验中的考核部位。 加载方式为两种。 单点集中加载：如图2 3 所示，a b 间试样的上表面承受相等的最大拉应力，为 a m 锄, = 1 0 0 0 m p a 。本试验中，这种加载方式下的疲劳试验又称弯曲疲劳试验。 图2 3 等强度悬臂梁弯曲试样，单点集中加载 f i g 2 - 3c o n s t a n ts t r e n g t hc a n t i l e v e rb e n d i n gs p e c i m e n ，s i n g l ep o 血c e n t r a l i z e da p p l i c a t i o n 两点加载：如图2 - 4 所示，总载荷f 与图2 3 中单点加载相同，d b 间试样的上表 面所承受的最大拉应力也相等，为a m x - - 1 0 0 0 m p a 。但在施力点d 处，除最大拉应力外， 还将由于载荷的压入作用而产生接触压应力。接触压应力的大小将随载荷大小及接触面 积而变。本试验中d 点的载荷为总载荷的2 7 ( 施加于c 、d 两点的载荷比为2 5 ：1 ) ， 接触长度为8 m m 。这种加载方式下的疲劳试验又称弯曲+ 接触疲劳试验。显然，试验中 由于载荷变动，d 点除接触应力外，还引起相对滑动，产生微动磨损，造成试样表面损 伤。 1 2 第：章试验材料及研究方法 f 0 f| f 、沥励 c 、d 两点加载，d 点产生接触 圈2 4 等强度悬臂粱式弯曲疲劳试样， f i g2 4 c o n s l a n ts m g mc a n t i l e v e r b e a d i n g f a t i g u e q 试验条件：最大应力- 1 0 0 0 m p a ，按照弹簧疲劳试验的载荷比，计算得试验载 荷为f = 35 5 ( 1 0 4 ) k n ，试验设备为m t s 8 8 0 试验机，频率4 h z 。试验设备、试样加 载实况见图2 - 5 。 图2 - 5 试验设备及试验状况 f i g2 5 t e s t 9 。e n ba n dc o n d i t i o n s 2 223 弹簧疲劳试验 试验方法依据t b t 2 2 1 】一9 1 机车车辆圆柱螺旋弹簧疲劳试验，外簧试验用 p m e 2 5 0 k n 液压疲劳试验机，内簧试验用p m e l 0 0 k n 液压疲劳试验机。 大连交通大学工程硕士学位论文 2 2 3 金相试验 金相试样垂直于弹簧圈横截面切取，普通金相实验在n c o p h o t 2 1 型光学金相显微镜 上进行。在x l 3 0 型扫描电子显微镜上进行电子显微分析。 透射电镜试样垂直于弹簧圈横截面切取o 1 m m 薄片，在金相砂纸上磨成5 0 9 m 厚， 冲压成直径为3 m m 的圆片，经双喷减薄和穿孔后，在j e m 3 0 10 型电子显微镜上进行透 射电镜观察。 本章小结 本章对弹簧及原材料的试验方法进行了设计和研究，按照本办法进行试验可以检验 出弹簧及原材料的机械性能、微观结构是否满足工艺要求，从而批量生产出合格的产品 来满足铁路提速重载的要求。 1 4 第三章原材料对弹簧症劳寿命的影响 第三章原材料对弹簧疲劳寿命的影响 原材料质量是影响弹簧疲劳寿命的关键。因为原材料表面缺陷( 发纹、亥0 痕、折叠 等) 和内部组织缺陷( 夹杂、气泡等) ，将引起应力集中，形成疲劳裂纹源，使弹簧在 该处过早折断。虽然铁路货车转向架弹簧用料已由过去的普通热轧圆钢6 0 s i 2 m n 替换为 现在的精炼银亮钢6 0 s i 2 c r v a t ，表面质量及内在性能都有了较大的提高。但在使用过 程中仍然出现了很多由于原材料的原因而发生的弹簧早期断裂，因此有必要对 6 0 s i 2 c r v a t 原材料进行更深一步的研究。 3 1 疲劳对比试验 在相