摘要
近年来，随着我国高速铁路的快速发展，尤其是我国西南、华东沿海、华中酸雨区高铁的建设，高速列车运行面临腐蚀环境的严峻考验。车轴作为高速列车关键性部件之一，其安全可靠性也受到了新的挑战，为保证车轴服役期间的安全可靠性，开展车轴钢的腐蚀疲劳性能研究并采用相关表面强化处理工艺提升其腐蚀疲劳性能十分必要。本研究选取EA4T车轴钢作为研究对象，采用旋转弯曲疲劳试验机在空气环境和人造雨水模拟的腐蚀环境中对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验，研究了人造雨水模拟的腐蚀环境对EA4T车轴钢疲劳性能的影响、表面损伤过程、裂纹扩展规律；然后采用超声滚压技术对EA4T车轴钢试样进行表面强化处理，研究超声滚压处理对EA4T车轴钢疲劳性能、腐蚀疲劳性能以及裂纹扩展行为的影响；最后采用不同的寿命预测模型对EA4T车轴钢试样进行腐蚀疲劳寿命预测，并对比了不同模型对EA4T车轴钢腐蚀疲劳寿命预测的适用性。论文主要内容如下： （1）采用旋转弯曲疲劳试验机在空气环境和人造雨水模拟的腐蚀环境中对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验，研究了腐蚀环境对EA4T车轴钢疲劳性能的影响、表面损伤过程、裂纹扩展规律。结果表明：在腐蚀环境中，试样不存在疲劳极限，107循环周次对应疲劳强度为245MPa，相比空气环境降低了31%；Gumbel分布统计比Weibull双参数分布统计更适合描述EA4T车轴钢试样表面腐蚀裂纹长度随加载次数的变化；腐蚀环境显著降低试样裂纹扩展门槛值，空气环境下该值为6.29MPa√m，腐蚀环境使其降低到4.1MPa√m。腐蚀环境降低EA4T钢疲劳寿命主要是因为腐蚀环境降低裂纹扩展门槛值，促进了裂纹萌生以及短裂纹扩展，而当裂纹达到一定长度时腐蚀环境对裂纹的扩展几乎没有影响。 （2）采用表面超声滚压处理（SurfaceUltrasonicRollingProcessing,SURP）技术对EA4T车轴钢试样进行表面处理，对处理后的试样进行表面性能测试，分析了表面三维形貌、粗糙度、硬度，残余应力、半高宽（FWHM）和晶粒尺寸的变化。然后，采用旋转弯曲疲劳试验机对SURP的EA4T车轴钢试样在大气和腐蚀环境中进行疲劳试验，研究了SURP对EA4T车轴钢疲劳性能、腐蚀疲劳性能和裂纹扩展行为的影响。结果表明：SURP可以显著降低试样表面粗糙度、提升表面硬度、细化表层晶粒、并引入约550μm深的残余应力层；在大气环境下SURP后试样的疲劳极限提升到455MPa，相比抛光处理试样提升了28%，而腐蚀环境下SURP试样在107循环周次的疲劳强度提升到390MPa，相比抛光处理试样提升了59.2%；空气环境和腐蚀环境下SURP均能显著提升EA4T车轴钢的裂纹扩展门槛值，抑制裂纹萌生和短裂纹的扩展，从而提升其疲劳性能和腐蚀疲劳性能。 （3）基于对腐蚀疲劳过程的观察，将腐蚀疲劳过程简化为腐蚀坑生长和裂纹扩展两个主要阶段。对腐蚀坑生长阶段采用指数模型和法拉第模型进行预测，对裂纹扩展阶段采用修正Hobson模型+Paris公式和等效缺陷尺寸（EIFS）法进行预测，并对比了不同模型对EA4T车轴钢腐蚀疲劳寿命预测的适用性。结果表明：针对EA4T车轴钢腐蚀疲劳过程中腐蚀坑生长阶段的寿命预测采用指数模型更优，裂纹扩展阶段的寿命预测采用等效缺陷尺寸（EIFS）法更优。
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