高速列车结构材料的疲劳裂纹扩展行为第章概述在线免费阅读|零部件失效的主要方式_零部件

速列展程，严威胁乘客财产故[,]。，速列驶程严脱轨故，速列轮构材料疲劳损伤，导致突断裂[]。，伦敦欧洲星速列脱轨故，构架连杆断裂撞击轨[]。，制系统良、构强降低，福线速列脱轨故，该故造亡，余伤惨剧[]。伴随速列“提速”略施，速列键构件疲劳、腐蚀裂。研产速列“锋号”“华星”（运速均/）试运程均抗蛇减振器座疲劳裂底架裙板断裂构强题[]。例够证构材料疲劳断裂引速列运故素。

研究，疲劳断裂引速列运故约占故率%～%[,]。确保承载构靠，传统构疲劳寿预测基础，研究始探索损伤容限设计评价技术靠评估技术估算速列各键功件寿。，形基疲劳设计、断裂、损伤技术合评估系，确保速列服役周构完整运[,]。

尺寸构件含避免初始缺陷，材料冶缺陷、制造缺陷，疲劳、腐蚀产裂纹。缺陷裂纹服役程断扩展，导致构断裂。断裂程，强征材料断裂参量，判断裂纹否稳状态指标，故裂纹尖端强计算评估材料疲劳裂纹扩展项。保证速列构件运程靠，析含裂纹构疲劳裂纹扩展规律、计算裂纹扩展速率构断裂强、预测含裂纹构剩余服役寿展估算速列构服役限济检修周。计算技术展限元析普遍，裂纹尖端复杂析提供效具。

，速列领域构断裂及损伤容限技术研究限，尤针速列键功件断裂论析试验研究薄弱，基础支撑模型据缺乏，迫切需合程际展系统、综合研究，积累技术及际验，速列靠运济检修维护提供坚技术支撑。

. 研究状及程背景

.. 疲劳裂纹扩展断裂

断裂研究源纪，展纪，仍断展完善。，基断裂研究仍具沿挑[]。早纪，[]量尝试玻璃板断裂探究材料论强际强。材料微观组织缺陷角，推测材料断裂效微观组织缺陷引裂纹扩展产集致。裂纹扩展释弹够服材料阻功，裂纹稳扩展材料断裂效。，提征含裂纹材料断裂效达式

式 ——弹模量（）；

γ——（/）；

——裂纹（）；

ν——泊松。

论提启断裂研究领域河，论够释属材料断裂强题，论假设材料含裂纹状态，符合属晶断裂。，[][]论基础引裂纹尖端扩展塑功概念，显微观察段证裂纹塑流，提征临断裂达式

式 ——弹模量（）；

γ——（/）；

γ——裂纹尖端扩展单塑功（·）；

——裂纹（）。

随断裂研究领域断展，识程量断裂故疲劳裂纹扩展引，疲劳裂纹扩展速率决构材料疲劳裂纹扩展征参量，评估构、靠及效析寿预测价值[]。，研究需建够量征材料疲劳裂纹扩展速率达式，且够合描述载载荷、形状试、件疲劳裂纹扩展规律。

纪，[,]基线弹断裂论建疲劳裂纹扩展速率/强范围Δ系，提描述疲劳裂纹扩展规律典式，即式。式式（-）。

式 ——材料；

——裂纹（）；

——循环周；

——裂纹形状；

Δσ——范围（）；

Δ——强范围（·/）。

属材料，恒幅载荷疲劳裂纹扩展速率/强范围Δ系曲线双坐标系呈反形化趋势，般划图-示阶段[]。疲劳裂纹扩展阶段低速扩展区，称低强区（图-阶段）。该区域存强范围临值Δ，即疲劳裂纹扩展槛值。Δ低Δ，疲劳裂纹扩展，检测极缓慢速率扩展；ΔΔ，/随Δ增速升。疲劳裂纹扩展二阶段速扩展区，称区（图-阶段）。该区域研究注区域，区域/Δ呈线系，裂纹扩展曲线足式，式评估材料疲劳裂纹扩展寿。疲劳裂纹扩展阶段速扩展区，称强区（图-阶段）。该区域疲劳裂纹扩展速率速提，断裂，断裂式般瞬断裂，考虑疲劳裂纹扩展寿贡献。

图- 疲劳裂纹扩展阶段[]

述，采式描述属材料疲劳裂纹扩展局限扩展区域，即区。步准确描述材料低速扩展区速扩展区疲劳裂纹扩展，式基础，众研究提模型描述各阶段疲劳裂纹扩展速率曲线。

纪初，证疲劳裂纹扩展槛值Δ存，且准确描述低速扩展区疲劳裂纹扩展规律，[]提效强概念，义征控制疲劳裂纹增效强，建低速扩展阶段疲劳裂纹扩展速率达式，式式（-）。

式 Δ——疲劳裂纹扩展槛值（·/）。

纪初，[,]式基础考虑断裂韧影响疲劳裂纹扩展参量，提基式修达式，即式。式够较描述速扩展阶段疲劳裂纹扩展规律，钢材料铝合材料广泛。式存足，即式考虑材料断裂韧，获断裂韧韧材料，式够准确描述疲劳裂纹扩展规律。式式（-）。

式 ——断裂韧（·/）；

——。

纪末，[,]引效强计算，建描述疲劳裂纹扩展幂函式，即式，式（-）。式够较描述速扩展阶段疲劳裂纹扩展，且式考虑负件压缩载荷疲劳裂纹扩展速，决负，压缩载荷材料疲劳裂纹扩展显著造计算偏危险题，计算精提，故式程际较广泛。

式 ——强（·/）。

纪，研究逐渐疲劳裂纹扩展程阻滞。[,]量试验研究论推导提闭合模型，首指裂纹闭合效存。，裂纹尖端缘状态、裂纹尖端状态、载程及状态影响疲劳裂纹扩展素。试验材料裂纹需，疲劳裂纹扩展；未完，裂纹扩展。裂纹闭合效模型式（-）。

式 Δ——效强范围（·/）；

Δ——裂纹完强范围（·/）；

——效强范围修系。

针提裂纹闭合效模型，研究讨论。[]指，裂纹闭合效具影响。较，效强范围效强范围。[]限元裂纹尖端状态析，限元析够较吻合研究裂纹闭合效试验。

随，[]继续针裂纹闭合效论展深研究，提考虑裂纹载荷件、载荷值及共效强范围修式，修式式（-）。，研究，建疲劳裂纹扩展阶段模型[]，属材料疲劳寿预测软件[]。-铝合材料疲劳裂纹扩展试验测试较，证该软件寿预测保守。疲劳裂纹扩展阶段模型式（-）。

式 ——裂纹完临载荷（/）；

——载荷（/）；

——裂纹函；

——材料参。

准确描述属材料扩展阶段疲劳裂纹扩展规律，众研究引参，典疲劳裂纹扩展模型基础提合修式。

熊峻江、[,]基参疲劳裂纹扩展式，引强范围Δ强均值二元量，建-/-Δ空曲。组试验试验测及参拟合，强范围强均值均材料疲劳裂纹扩展具影响，且强范围影响程显，导。

，基式-/-Δ空曲达式

基式-/-Δ空曲达式

式 ——强均值（·/）；

、——材料。

赵永翔[]考虑均效，式裂纹闭合效论基础建涵盖疲劳裂纹扩展槛值Δ、断裂韧及参阶段模型，尝试合描述疲劳裂纹扩展阶段程。根据轴钢疲劳裂纹扩展试验测试据建模型验证，证该模型准确优越。阶段模型式（-）。

式 ——断裂韧（·/）。

王泓[,]建适合疲劳裂纹扩展程模型，根据-钢锻件疲劳裂纹扩展试验测试据，该模型、典模型据较。，该模型够准确描述材料低速扩展区、速扩展区速扩展区疲劳裂纹扩展，具适广泛、计算简单优。疲劳裂纹扩展程模型式（-）。

断裂领域展今，越越研究始注含裂纹构材料疲劳裂纹扩展。众描述疲劳裂纹扩展规律模型式基础引参修。程际，影响疲劳裂纹扩展素较，预循环、温、腐蚀环境，述研究素共况获评估。，典式基础，需根据况材料疲劳裂纹扩展规律针修。准确描述材料疲劳裂纹扩展程型构件量化设计选材提供依据，准确寿预测降低维护，程际济提义显著。

.. 速列键构件服役题

速列运程始终复杂环境素影响，承随循环载荷，服役状态，速列保障系统维护极挑[]。随服役历限增，速列键构件改，际零件损伤引故。，速列键构件历段服役程否保证构注焦，研究课题。确保承载构靠，研究速列各键构件寿展研究，确保服役周构完整运[-]。

纪今，针速列服役课题，欧、研究采损伤容限技术速列构疲劳、服役控制题量基础研究，研究集轴、轮、轮轨及构架键构件[,-]。[-]试验段值析速列轴损伤题量研究，建轴疲劳裂纹扩展随模型，该模型轴材料近槛值区域疲劳裂纹扩展规律析。随研究，针轴材料氧化层试验研究，证氧化层轴疲劳断裂具破坏。[]试验证压装程轴疲劳裂纹扩展剩余寿具破坏影响，旋转弯曲影响较。Čý[]微观角，研究微观组织构轴断裂影响。[]试验获强合钢材料横幅载荷交载荷-曲线，该材料速列轴构提供据支持。[]考虑残余速列轴疲劳裂纹扩展影响，建基交互载荷件疲劳裂纹扩展寿预测模型。[]研究复杂服役环境，速列轮局损伤造非规腐蚀损伤服役寿影响。[]累积损伤论，评估速列轮尺寸效、载荷类型及材料硬指标疲劳寿影响规律。[]限元速列轮断裂析，断裂参轮材料剩余寿影响。，疲劳裂纹扩展槛值剩余寿影响较，断裂韧影响较。[,]研究载荷类型转架构架焊疲劳寿影响，材料载荷谱恒载件疲劳试验，低幅疲劳寿载荷类型较敏。[]转架构架焊疲劳试验际运线跟踪测试，指服役程较循环造材料疲劳损伤，且类疲劳损伤容忽视。[]速列转架构架焊载荷谱疲劳试验及残余测试，指寿残余松弛系，修规范偏危险速列运载荷谱。[]针含初始微裂纹速列端底架构，研究构效临裂纹尺寸，预测微裂纹扩展临裂纹需，速列服役提供据支持。[]短裂纹论角，提速列构裂纹萌短裂纹扩展仅，材料微观组织构抵抗裂纹扩展。速列服役考虑，航空航局（）[]基断裂损伤容限论，估算构零件临指标建疲劳裂纹扩展模型，即模型。

伴随“提速”略施，速列键构件疲劳断裂题。-型列转架吊杆、构架及横控制杆疲劳断裂，型列转架联系梁、吊杆及牵引梁疲劳断裂[]。保证速列运，众研究速列键构件疲劳断裂题量研究。

赵永翔[,-]针速列轴材料系列试验研究，建基轴钢随-系概率模型、循环构概率模型、局-系模型及疲劳裂纹扩展概率模型，试验据析证建模型效适。随，赵永翔轴材料疲劳断裂析指，导致缺陷缺陷竞争制决疲劳损伤程裂纹萌。刘志[]针轴材料载件试验研究，疲劳裂纹扩展规律，引效强范围Δ，建适各载件疲劳裂纹扩展模型。该模型轴际断裂故析研究，证超限裂纹漏探引断裂故素。周素霞、谢基龙[,]速列空轴疲劳裂纹扩展规律研究，超寿疲劳靠疲劳裂纹扩展模型，估算轴超服役寿临裂纹尺寸。黄[]试验微观组织析段钢轴研究，析裂纹萌及材料优化。唐武[]效均修计算列轮疲劳强系，均、量考虑均效均计算较，优越局限。林[]首热评估速列转架构架疲劳强，避免简化限元模型造计算准确。闫俊[,]采限元模拟速列端底架危险构况，塑温促屈服硬化软化规律，准确计算端底架构焊残余。

速列速、耗低优势范围迅速展，速列键构件疲劳断裂题备注。综述，研究针量研究，研究集速列轴、轮及转架构架承载件，取。较言，针速列端底架构疲劳损伤论研究试验研究较。端底架速列承载构，运程承量恶劣服役环境影响，素导致构破坏。端底架构复杂，积庞，试验研究，基础模型试验据限。保证速列运，迫切需合程际况端底架构展系统、综合研究。

.. 属材料低载“锻炼”效

量化设计今速列及零件构设计展趋势[-]。，量化设计构服役键素保证具靠耐久。速列运程承复杂循环载荷，循环载荷导致速列零件效素[]。注循环载荷速列构材料产影响，探索提构材料强寿途径必。

众研究，施载荷构材料造损伤，低疲劳极限范围低幅载荷（称预循环）够构材料强强化，提构材料寿，即低载强化。适低幅载荷促材料产“锻炼”效，够提材料疲劳。谓低载“锻炼”效，指材料低疲劳极限预循环疲劳极限提[]。

纪，[]试验段早提低载“锻炼”效概念。递增设计低载“锻炼”试验程，即属材料试低疲劳极限某范围循环载试验，历低幅载荷属材料试低幅载荷基础提级继续循环载试验，复该程试断裂效。试验，疲劳极限钢材料历余递增效，低载“锻炼”效促材料疲劳极限提近%。

纪，[]参照设计递增钢、钢、-铝合、-黄铜属材料量低载“锻炼”试验。试验，低幅载荷效状态材料“锻炼”效较显，递增，疲劳强提升显著；效状态材料，低载“锻炼”效显著。，提低载强化显著程循环载荷，够材料“锻炼”效控制。

纪末初，[,]针热状态低碳钢材料，初始状态低载“锻炼”旋转弯曲疲劳试验。试验，低载强化显著程施载荷。载荷较，强化较显；载荷较，强化逐渐减消。非扩展裂纹角释材料低载“锻炼”效产，即低幅载荷循环促材料产硬化效，非扩展裂纹尖端附近区域产强化。

纪末，[]针低碳钢材料-低级载荷旋转弯曲疲劳试验。试验，施疲劳极限循环载荷材料“锻炼”，尤循环载材料初始寿值半，疲劳极限级循环载荷材料“锻炼”效显。，材料裂纹析指，较，材料裂纹尖端闭合效显，故材料疲劳寿提，“锻炼”效显著。

纪初，[][]针属材料量低载“锻炼”效试验研究，试验证非属材料低幅载荷产“锻炼”效。

探索提属材料途径，充挥属材料强潜，众研究构材料低载“锻炼”效量研究。

纪，交属材料及强研究[,]针属材料规模低载“锻炼”试验研究，启领域研究河。研究，属材料，产佳“锻炼”效低幅载荷值尽。具较塑材料，施较低幅载荷且历较“锻炼”，材料强化；具较强塑较差材料，达强化效需施低幅载荷较低。材料“锻炼”效施低幅载荷“锻炼”，件参量设计配合合况，达强化，材料疲劳改善。

随，琼[]型钢低载“锻炼”试验微观组织析，低载“锻炼”效促型钢延征，增强珠韧，促材料疲劳强提。琼试断微观组织析指，低载“锻炼”程，材料渗碳铁素弹容逐渐转化协调，提渗碳塑铁素具强化，材料疲劳提。

吴志[]针晶粒尺寸碳钢材料疲劳极限值附近旋转弯曲疲劳试验。研究材料低载“锻炼”效施载荷系，提存够材料达佳“锻炼”效临载荷值，施载荷临值，材料“锻炼”效逐渐消。，吴志[]研究基础指，“锻炼”效显著程材料尺寸效引强化。“锻炼”效塑形晶粒产钉扎错影响，载荷较，错线脱钉，材料“锻炼”效显，随载荷逐渐增，钉扎逐渐脱离错线，导致材料疲劳损伤，“锻炼”效随减消。

叶旭轮、刘建华[,]针燃球墨铸铁曲轴初始状态低幅载荷升降疲劳强测试试验。试验，历低幅载荷，曲轴疲劳强提近%，根据试验程设计类似振效台装置批量曲轴低载“锻炼”试验。

纪，郑松林团队针汽零件低载“锻炼”效量研究[-]。郑松林[]试-低载荷疲劳寿测试，析历低幅载荷试疲劳强化规律，获规低幅载荷佳“锻炼”，低载“锻炼”材料疲劳强系。图-示试低幅载荷，低载“锻炼”材料疲劳强系曲线[]。图-，材料疲劳强随“锻炼”增升降。达佳“锻炼”效，随“锻炼”增，材料疲劳强提程呈递增趋势；“锻炼”继续增，达佳“锻炼”效，材料疲劳强潜充挥；佳“锻炼”，材料疲劳强逐渐减。

图- 低载“锻炼”材料疲劳强系[]

随研究，郑松林[-]交析汽构零件（轴、速器齿轮）低载“锻炼”效研究。，历佳“锻炼”载荷佳“锻炼”强化，汽构零件疲劳强潜够提%～%。，郑松林试验据统计析基础，历低幅载荷，疲劳寿、“锻炼”载荷及“锻炼”系，汽构零件量化设计提供依据[,]。图-示汽构材料疲劳寿、“锻炼”载荷及“锻炼”系曲线。图-，“锻炼”载荷及“锻炼”共影响材料低载强化效，且影响参配合合，材料疲劳寿程提。

综述，属材料低载“锻炼”效研究具际义，够速列构量化设计提供论依据据支持。，低载“锻炼”试验研究需费量、及财，众研究构步，导致低载“锻炼”效研究缺乏足够基础据及论推导式，研究薄弱。，型构服役程低疲劳极限循环载荷，掌握低幅载荷构材料损伤强化，评估构服役素。，材料低载强化产“锻炼”效研究基低幅载荷材料疲劳影响，展低幅载荷材料断裂影响研究。若充识材料强潜，需历低幅载荷材料各项研究评估。

图- 疲劳寿、“锻炼”载荷及“锻炼”系[]

.. 疲劳裂纹扩展概率模型

构材料程疲劳裂纹萌扩展引效，故材料疲劳断裂研究注焦[]。，众研究断裂基础始探索采损伤容限耐久设计思评价材料疲劳裂纹扩展规律。损伤容限设计求材料既挥，需保证服役程具靠[-]。材料疲劳裂纹扩展程、际构形状、裂纹质、载荷及环境素交互影响，呈复杂[,]。，材料疲劳裂纹扩展具强确，即控制良试验件，避免存散[-]。

纪，[][]试验段材料疲劳裂纹扩展程据散布规律统计析，即著试验试验。试验，疲劳裂纹扩展试验据呈散较，且交织。论启考虑采随概念研究决试验据散题。

姚卫星[,]疲劳裂纹扩展散质归类，即素散（材料微观组织缺陷）素散（载荷环境），综述疲劳裂纹扩展随。，基断裂论，疲劳裂纹扩展速率达式材料参随化。二建随程基础累积损伤模型。

[,]概率损伤容限论，材料损伤状态割离散单元，建够描述恒幅载荷随载荷件疲劳裂纹扩展散概率损伤模型。[,]模型析焊裂纹扩展随题，指该模型缺乏适。[,]基随程，确裂纹扩展据预测裂纹扩展随造累积损伤题，广泛飞构材料损伤容限靠设计。[]线弹断裂论，建够准确描述恒幅载荷交载荷件疲劳裂纹扩展随模型，模型参统计析。[]-程构材料效况析，建够评估含裂纹构靠值模型，该模型单排孔板构耐久设计。[]析构裂纹互，讨论广布疲劳损伤导致构效概率，终提够评估裂纹构靠。

决疲劳裂纹扩展随题，研究断裂论概率统计析合，尝试概率角描述材料疲劳裂纹扩展及据散布规律，建考虑靠疲劳裂纹扩展概率模型。

徐[]型钢疲劳裂纹扩展试验据概率统计析，拟合具靠--系曲线，获-/-Δ系曲线。徐析指，具靠-/-Δ系曲线影响较，随增，概率疲劳裂纹扩展速率随增，且规靠增，概率疲劳裂纹扩展速率增趋势显。

熊峻江[]根据强范围疲劳裂纹扩展速率服态布论基础，极似推导概率疲劳裂纹扩展速率随模型。随，该随模型基础，熊峻江提具靠-/-Δ系曲线模型。模型各具，极似推导随模型规靠拟合-/-Δ系曲线/-Δ系曲线截距斜率完；模型拟合-/-Δ系曲线截距斜率/-Δ系曲线完，规靠增，截距斜率随增；模型拟合-/-Δ系曲线够充试验据散规律，且拟合-/-Δ系曲线截距斜率/-Δ系曲线完，模型，规靠增，截距斜率化规律。-/-Δ系曲线模型式（-）～式（-）。

随研究，熊峻江[,,]参式建-/-Δ空曲基础，提具靠--/-Δ试验据及参估算达式。

，基式--/-Δ空曲达式

基式--/-Δ空曲达式

赵永翔[]轴钢疲劳裂纹扩展试验研究，首提考虑均效近槛值区域低强范围疲劳裂纹扩展速率程建具靠、置疲劳裂纹扩展概率模型。赵永翔采线归析极似统计析模型参测。，该模型拟合-/-Δ系曲线够较描述试验据散布规律，够降低试验量概率评价影响，证该概率模型效。疲劳裂纹扩展概率模型式（-）。

综述，众研究采随裂纹扩展析靠评估建疲劳裂纹扩展概率模型，取。，建概率模型仍具局限，够熟程际。，程广泛采考虑靠、置描述材料疲劳裂纹扩展规律及预测疲劳裂纹扩展寿，评估偏保守，够反映材料断裂。，需概率统计析准确评估材料疲劳裂纹扩展散布况，构材料服役提供保障，足济求。

. 容

针速列端底架构键功件铝合材料，展材料服役状态疲劳裂纹扩展研究。限元速列端底架构析，根据布状态选取键功件断裂试验测试及微观析，评估服役历速列构材料断裂影响。鉴具服役历材料疲劳裂纹扩展初始状态材料折线征，设计研究预循环影响疲劳断裂试验测试案，探索预循环提材料强寿规律。改传统疲劳裂纹扩展速率统计析，研究够客观、合描述试验据散布规律概率疲劳裂纹扩展速率统计析，准确评估材料疲劳裂纹扩展提供决。采互积计算获裂纹尖端强沿厚布，提够厚尺寸效修维强计算模型，准确评估材料疲劳裂纹扩展提供决。

研究及撰程，谢沈阳建筑械程院领导予支持，谨诚挚敬谢北谢阳授贡献血智慧。共章，、章沈阳建筑啸尘撰，、、章沈阳建筑啸尘、孟维迎沈阳航空航周松共撰，、章沈阳建筑啸尘、孟维迎共撰。沈阳建筑啸尘统稿，沈阳建筑吴玉厚授统筹指导专著选题、逻辑构、论析、撰及修改。撰程，领域研究详细阐释，参考引量献，各、示谢。尽管创程刻保持谨慎态，研究未臻完善，，恳请读批评、指。

THE END

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