【摘要】 通过异物分析获得未受异物损伤和未受异物损伤的未SPed和SPed试件的概率疲劳S-N曲线(P-S-N)。

车轴很容易受到气动效应卷起的道碴等异物的撞击，形成典型的表面异物损伤（FOD），导致车轴结构完整性恶化，疲劳性能降低[1-3]。为了评估表面损伤和强化处理对疲劳性能的影响，通过压缩气体枪对经过或未经喷丸处理（SP）的 EA4T 车轴钢试样进行 FOD 诱导。

 

同时，利用纳米压痕技术和X射线衍射技术研究了喷丸强化机理。通过异物分析获得未受异物损伤和未受异物损伤的未SPed和SPed试件的概率疲劳S-N曲线(P-S-N)。此外，通过尺寸效应、表面质量、加载模式因素对Murakami方程估计的FODed车轴疲劳极限进行了修正。

 

最后，采用可靠性为97.5%的疲劳极限，构建了经喷丸处理或未经喷丸处理的FOD车轴修正的北川-高桥（K-T）图，可用于异物损坏车轴的使用性能评估。根据缺陷容限设计，构建了基于El-Haddad的Kitakawa-Takahashi疲劳评估图，用于FODed车轴的疲劳强度设计和缺陷评估。

 

可以得出FOD弹坑宏观形貌呈规则圆形，微观损伤特征包括材料堆积、材料脱落、微裂纹。由于引入了有益的残余压应力并形成了硬化层，SPed后的异物损伤试件的疲劳性能优于未SPed的试件。条件概率密度函数可用于FODed铁路车轴的概率疲劳评估。综合考虑载荷类型、表面质量和几何效应，修正Murakami方程，预测全尺寸FODed高速铁路车轴的疲劳极限。基于El-Haddad模型并经过全尺寸车轴97.5%可靠性疲劳极限改进的K-T图，可以为遭受FOD的高铁车轴提供更安全、更可靠的加载区域。

 

[1] U. Zerbst, S. Beretta, G. Kohler, ¨ A. Lawton, M. Vormwald, H.T. Beier, C. Klinger, I. ˇCerný, J. Rudlin, T. Heckel, D. Klingbeil, Safe life and damage tolerance aspects of railway axles-A review, Eng Fract Mech 98 (2013) 214–271.

[2] T. Makino, T. Kato, K. Hirakawa, Review of the fatigue damage tolerance of high-speed railway axles in Japan, Eng Fract Mech 78 (5) (2011) 810–825.

[3] U. Zerbst, M. Madia, C. Klinger, D. Bettge, Y. Murakami, Defects as a root cause of fatigue of metallic components, III: Cavities, dents, corrosion pits, scratches, Eng Fail Anal 97 (2019) 759–776.

 

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