Preview

Advanced Engineering Research

Расширенный поиск

Исследование распространения трещины в поверхностном белом слое рельсовой стали

https://doi.org/10.23947/1992-5980-2020-20-2-125-136

Полный текст:

Аннотация

Введение. Статья посвящена оценке растрескивания белых слоев, формирующихся на поверхности рельса в процессе эксплуатации. Трещины в белом слое рельсовой стали обнаруживаются уже после 1 тыс. циклов испытаний. Это объясняется растягивающими и сдвиговыми напряжениями на поверхности пятна контакта колеса и рельса. В работе представлены результаты исследований морфологических характеристик белого слоя на поверхности рельса.

Материалы и методы. Объект исследования (поверхность рельса после эксплуатации) рассматривался под микроскопом. Затем была разработана двумерная модель конечных элементов плоской деформации, чтобы моделировать динамические характеристики растрескивания белого слоя. Предложены математические модели, описывающие распространение трещины. Для этого применили критерий механики упругого пластического разрушения, метод J-интеграла. В программе SYSWELD выполнено численное моделирование образования белого слоя и распределения остаточных напряжений.

Результаты исследования. Представлены оптические снимки микроструктуры поперечного сечения белого слоя на поверхности рельса после эксплуатации. На задней кромке белого слоя исследованных образцов зафиксированы два разных типа трещин. В программе SYSWELD визуализированы фрагменты моделирования механизма образования белого слоя с распределением остаточных напряжения, сжатия и растяжения. Результаты расчетов показывают, что значения J-интеграла для всех трех трещин немного уменьшаются, если длина трещины достигает 10-50 мкм.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты применимы для оценки износостойкости рельсовых сталей и прогнозирования направления роста трещины. Сравнения J-интегральных максимумов показали, что при одинаковых условиях нагрузки трещина №1, скорее всего, будет расти быстрее, чем трещины № 2 и 3. С увеличением длины трещины максимумы J-интеграла всех трех трещин уменьшались.

Об авторах

А. Ю. Перелыгина
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Россия

Перелыгина Александра Юрьевна - и.о. заведующего кафедрой инженерной и компьютерной графики, кандидат технических наук.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Researcher ID AAF-1094-2020



В. Ю. Конюхов
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Россия

Конюхов Владимир Юрьевич - профессор кафедры автоматизации и управления, кандидат технических наук, профессор.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Researcher ID AAE-5296-2020, Scopus ID 56769690400



А. Е. Балановский
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Россия

Балановский Андрей Евгеньевич - доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, кандидат технических наук.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Researcher ID AAE-2964-2020, Scopus ID 56375902200



Список литературы

1. Когаев, В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В. П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков. — Москва : Машиностроение, 1985. — 224 с.

2. Броек, Д. Основы механики разрушения / Д. Броек. — Москва : Наука, 1974. — 288 с.

3. Витвицкий, П. М. Прочность и критерии хрупкого разрушения стохастически дефектных тел / П. М. Витвицкий, С. Ю. Попина. — Киев : Наукова думка, 1980.— 186с.

4. Clayton, P. Metallurgical aspects of surface damage problems in rails / P. Clayton, M. B.P. Allery // The Canadian Journal of Metallurgy and Materials Science. — 1982. — Vol. 21, iss. 1. — P. 31-46.

5. Baumann, G. Formation of White-Etching Layers on Rail Treads / G. Baumann, Н. Fecht, S. Liebelt // Wear. — 1996. — Vol. 191. — Р. 133-140. doi.org/10.1016/0043-1648(95)06733-7.

6. Newcom, S. B. A transmission electron microscopy study of the white etching layer on a railhead / S. B. Newcom, W. M. Stobbs // Materials Science and Engineering. A. — 1984. — Vol. 66, iss.2. — P. 195-204. doi.org/10.1016/0025-5416(84)90180-0.

7. Jiraskova, Y. Microscopic investigation of surface layers on rails / Y. Jiraskova, J. Svoboda, O. Schneeweiss [etal.] // Applied Surface Science. — 2005. — Vol. 239, iss. 2. — P.132-141. doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.05.289.

8. Osterle, W. Investigation of white etching layers on rails by optical microscopy, electron microscopy, X-ray and synchrotron X-ray diffraction/ W. Osterle, H. Rooch, A. Pyzalla, L. Wang// Materials Science and Engineering. A. —2001.—Vol. 303, iss. 1/2. —Р. 150-157.

9. Lojkowski, W. Nanostructure formation on the surface of railway tracks / W. Lojkowski, M. Djahanbakhsh, G. Burkle [et al.] // Materials Science and Engineering. A. — 2001. — Vol. 303, iss. 1/2. — Р. 197208. doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01947-X.

10. Zhang, H. W. Microstructural investigation of white etching layer on pearlite steel rail/ H.W.Zhang, S. Ohsaki, S. Mitao [etal.]// Materials Science and Engineering. A. — 2006. — Vol. 421, iss.1/2. — P. 191-199. doi.org/10.1016/j.msea.2006.01.033.

11. Chou, Y. K. White layers and thermal modeling of hard turned surfaces / Y. K. Chou, C. J.Evans // International Journal of Machine Tools and Manufacture. — 1999. — Vol. 39, iss.12. — Р. 1863-1881. doi.org/10.1016/S0890-6955(99)00036-X.

12. Clayton, P. The relations between wear behavior and basic material properties for pearlitic steels/ P. Clayton// Wear. — 1980. — Vol. 60, iss. 1. — Р. 75-93.

13. Steenbergen, М. On the mechanism of squat formation on train rails. Part II: growth/ M. Steenbergen, R. Dollevoet // International Journal of Fatigue. —2013.—Vol. 47.—P.373-381.

14. Li, Z. Squat growth—some observations and the validation of numerical predictions / Z. Li, R. Dollevoet, M. Molodova, X. Zhao//Wear.—2013. —Vol. 271, iss. 1. —Р. 148-157. doi.org/10.1016/j.wear.2010.10.051.

15. Olzak, M. Investigation of crack propagation during contact by a finite element method/ M. Olzak, J. Stupnicki, R. Wojcik//Wear. —1991. —Vol. 146, iss. 3. —Р. 119-128.

16. Bold, P. E. Shear mode crack growth and rolling contact fatigue / P. E.Bold, M. W. Brown, R. J.Allen // Wear. —1991.—Vol.144, iss. 1/2.—Р. 307-317.

17. Ringsberg, J. W. Shear mode growth of short surface-breaking RCF cracks / J. W. Ringsberg // Wear. — 2005.—Vol. 258, iss. 7.—Р. 955-963.

18. Seo, J. Fatigue crack growth behavior of surface crack in rails/ J. Seo, S. Kwon, H. Jun, D. Lee//Procedia Engineering. — 2010.— Vol. 2, iss. 1.— P. 865-872. doi.org/10.1016/j.proeng.2010.03.093.

19. Xin Zhao. A study on dynamic stress intensity factors of rail cracks at high speeds by a 3D explicit finite element model of rolling contact / Xin Zhao, Xiaogang Zhao, Chao Liu[etal.]//Wear. — 2016. — Vol.366-367. — Р. 60-70 /doi.org/10.1016/j.wear.2016.06.001.

20. Trolle, B. 2D fatigue crack propagation in rails taking into account actual plastic stresses / B. Trolle, M.-C. Baietto, A. Gravouila [et al.]// Engineering Fracture Mechanics. — 2014. — Vol.123. — P.163-181. doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.03.020.

21. Bogdanski, S. Experimental and theoretical investigation of the phenomenon of filling the RCF crack with liquid / S. Bogdanski, P. Lewicki // Wear. — 2005. — Vol. 258, iss. 7-8. — Р. 1280-1287. doi.org/10.1016/j.wear.2004.03.038.

22. Makino, T. The effect of slip ratio on the rolling contact fatigue property of railway wheel steel / T. Makino, T. Kato, K. Hirakawa // International Journal of Fatigue. — 2012. — Vol. 36, iss. 1. — Р. 68-79. doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.014.

23. Dubourg, M. C. A predictive rolling contact fatigue crack growth model: onset of branching, direction, and growth — role of dry and lubricated conditions on crack patterns / M. C.Dubourg, V. Lamacq // Journal of Tribology — Transactions of the ASME. —2002.—Vol.124, iss. 4.—Р. 680-688. DOI: 10.1115/1.1479698.

24. Benuzzi,D.Stress intensity factor range and propagation mode of surface cracks under rolling — sliding contact / D. Benuzzi, E. Bormetti, G. Donzella // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. — 2003. — Vol. 40, iss. 1. — Р.55-74. doi.org/10.1016/S0167-8442(03)00034-X.

25. Kalker, J. J. Some New Results in Rolling Contact / J. J. Kalker, J. Piotrowski // Vehicle System Dynamics. —1989. — Vol. 18. —P.223-242. doi.org/10.1080/00423118908968920.

26. Kato, T. Investigation of influence of white layer geometry on spalling property in railway wheel steel/ T. Kato, A. Sugeta, E. Nakayama // Wear. — 20 1 1. — Vol. 27 1 , iss. 1. — Р. 400-407. doi.org/10.1016/j.wear.2010.10.024.

27. Seo, J. W. Numerical stress analysis and rolling contact fatigue of White Etching Layer on rail steel / J. W. Seo, S.Kwon, H.K.Jun, D.H.Lee// International Journal of Fatigue. — 201 1. — Vol. 33, iss. 2. — Р.203-211. doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.08.007.

28. Lian, Q. Crack propagation behavior in white etching layer on rail steel surface / Q. Lian, G.Deng, A. A. Juboori [et al.] // Engineering Failure Analysis. — 2019. — Vol. 104. — P. 816—829. doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.06.067.

29. Rice,J. R.A Path Independent Integral and Approximate Analysis of Strain Concentration by Notches and Cracks / J.R.Rice// Journal Applied Mechanics. —1968. — Vol. 35. — Р.379-386.

30. Rybicki, E. F. A finite element calculation of stress intensity factors by a modified crack closure integral / E. F. Rybicki, M. F. Kanninen // Engineering Fracture Mechanics. — 1977. — Vol. 9, iss. 4. — P.931-938. doi.org/10.1016/0013-7944(77)90013-3.

31. Chow, W.T. Finite element calculation of stress intensity factors for interfacial crack using virtual crack closure integral / W. T. Chow, S.N.Atluri// Computational Mechanics. — 1995. — Vol. 16. — Р.417-425. https://doi.org/10.1007/BF00370563.

32. Данильченко, С. А. Моделирование упругого индентирования многослойного антифрикционного покрытия рельса методом конечных элементов / С. А. Данильченко, А. В. Наседкин // Известия Самарского научного центра РАН. —2011. — Т.13, № 3(4). — С. 1029-1032.

33. Чебаков, М. И. Моделирование контактного взаимодействия тел с неоднородными по глубине механическими свойствами при наличии трения в зоне контакта / М. И. Чебаков, Е. М. Колосова, А. В. Наседкин // Известия Самарского научного центра РАН. —2011.— Т.13, № 4(3). — С. 1252-1255.

34. Наседкин, А. В. Моделирование контактного взаимодействия железнодорожного колеса и рельса с тонким трехслойным покрытием / А. В. Наседкин, Д. Ю. Сухов, М. И. Чебаков // Вестник Ростовского университета путей сообщений —2010. — № 2. — С. 11-16.

35. Al-Juboori, A. Squat formation and the occurrence of two distinct classes of white etching layer on the surface of rail steel / A. Al-Juboori, D. Wexlera, H. Lia [et al.] // International Journal of Fatigue. — 2017. — Vol. 104. —P.52-60. doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.07.005.

36. Li, S. Brown etching layer: a possible new insight into the crack initiation of rolling contact fatigue in rail steels / S.Li, J.Wu, R. H. Petrov [et al.] // Engineering Failure Analysis. — 2016. — Vol. 66. — Р.8-18. doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.03.019.


Для цитирования:


Перелыгина А.Ю., Конюхов В.Ю., Балановский А.Е. Исследование распространения трещины в поверхностном белом слое рельсовой стали. Вестник Донского государственного технического университета . 2020;20(2):125-136. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2020-20-2-125-136

For citation:


Perelygina A.Yu., Konyukhov V.Yu., Balanovskii A.E. Investigation of crack propagation in the surface white layer of rail steel. Vestnik of Don State Technical University . 2020;20(2):125-136. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2020-20-2-125-136

Просмотров: 81


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1992-5980 (Print)
ISSN 1992-6006 (Online)