列车转向架焊接接头表面纳米化机理及其疲劳性能研究

随着我国铁路提速战略的实施，列车转向架焊接构架的疲劳开裂现象明显增加，如何避免转向架焊接构架疲劳破坏的发生，保证其安全运行是工程上急需解决的前沿课题。本项目以超声冲击表面纳米化为手段，以揭示表面超声冲击纳米化机理及对转向架焊接接头疲劳性能影响规律、疲劳失效机理为目的，在以下几方面进行重点研究：用数值模拟方法获得转向架焊接接头具有最小应力集中时的最佳焊缝形状及应力应变分布状态，根据数值模拟计算结果，通过设计超声冲击头形状、尺寸，控制超声冲击时间、冲击能量，获得最佳的实际焊缝形状；研究转向架焊接接头表面纳米化机理以及超声冲击对转向架焊接接头疲劳性能、疲劳失效机理的影响，探讨与未冲击转向架焊接接头疲劳性能、失效机理的区别，揭示表面纳米化对转向架焊接接头疲劳性能的影响规律；探索晶粒细化、残余应力、应力集中对疲劳寿命的贡献大小；为提高转向架焊接接头疲劳寿命、降低维修费用提供理论和技术支持。

在对列车转向架焊接构架的结构进行了现场调研的基础上，采用有限元方法，对焊接接头的应力集中系数进行了计算，得出了焊接接头应力集中系数与接头形状参数之间的关系以及焊接接头具有最小应力集中系数时的最佳焊缝形状。.用超声冲击方法对16MnR钢接头进行冲击处理，采用SEM和TEM研究了超声冲击纳米化焊接接头表面的微观组织和纳米化机理。.焊态对接接头的条件疲劳极限值为265MPa，焊态十字接头的条件疲劳极限值为157MPa，超声冲击态对接接头的条件疲劳极限为325MPa，超声冲击态十字接头的条件疲劳极限值为235MPa。无论是焊态还是冲击态试样，对接接头的条件疲劳极限值都明显要高于十字接头。说明接头形式对条件疲劳极限值有较大影响。.十字接头比对接接头有更大应力的集中，因此，即使经过超声冲击的处理，十字接头的疲劳断裂仍发生在焊趾处，而对接接头经过超声冲击处理后则基本断于母材。对于超声冲击前、后条件疲劳极限值的提高程度，十字接头（49.7%）要远高于对接接头（22.6%）。说明超声冲击对于16MnR十字接头的处理效果要远好于对接接头。经过超声冲击处理的16MnR对接和十字接头，其疲劳寿命分别是原始焊态接头的51-59倍和45-52倍。.16MnR焊接接头的焊趾及其附近区域经过超声冲击处理后，可以大幅度提高焊接接头的疲劳寿命，其中残余应力所起的作用大约占15%左右、表面组织细化占35%左右，超声冲击引起的焊接接头应力集中系数降低占提高疲劳寿命的50%左右。.圆满完成了申报书中的研究内容。经过3年的研究，取得了一些研究成果，已发表“Research about the Effect of Ultrasonic Impact on the Fatigue Life of Butt Weld Joint of 16MnR Steel”、“Research and Prospects of Improving the Fatigue Life of Wleded Train Bogie Structure”等学术论文21篇（其中SCI检索2篇、EI检索12篇、ISTP检索1篇）。培养研究生7名，青年教师2名，目前正在撰写专著一本。