18CrNiMo7-6高铁齿轮钢材料是一种新型的高速列车齿轮用钢材料,用于加工运行速度高达390 km/h及以上的高速列车齿轮零件。在高铁齿轮的实际啮合运行中,主要承受复杂的周期性的循环载荷的作用,其疲劳断裂性能的优劣是影响高铁车辆可靠性的重要指标。因此,对高铁齿轮钢材料疲劳断裂过程进行表征与寿命评定,可以为齿轮钢材料的工程应用、结构设计、服役寿命评定等方面提供可靠依据。本文基于能量理论对18CrNiMo7-6高铁齿轮钢材料变形、断裂过程及温度演变进行分析;采用红外热像法和棘轮应变差值法,分析材料在疲劳加载过程中的温度耗散和塑性变形以及能量累积行为;使用EBSD与SEM等表征设备对不同加载状态下的微观组织和断口形貌进行表征测试,探讨疲劳加载过程中微观演化机理;基于循环稳定状态下的棘轮应变差值和试样表面温升稳定值快速预测材料疲劳极限。拉伸试验结果表明:18CrNiMo7-6高铁齿轮钢的屈服强度为1174 MPa,抗拉强度为1466 MPa,延伸率为11.5%,断面收缩率56%。拉伸过程中表面温度变化呈现出四个阶段:载荷低于材料弹性极限时的温度下降阶段、载荷高于弹性极限低于抗拉极限时的温度升高阶段、载荷大于材料抗拉强度时的温度升高阶段且温升速率变大、断裂瞬间的温度急剧升高。疲劳试验结果表明:在循环载荷作用下,材料产生的变形和能量耗散,导致试样在宏观表现为应变累积和表面温度变化。疲劳断裂过程主要为微塑性变形的累加。当循环加载应力的峰值较低时,以弹性变形为主,试样在稳定变形阶段的应变累积量及其表面的温升值较小,不会产生疲劳断裂;当循环应力导致不可逆变形时,试样在稳定变形阶段的应变累积量和表面稳定温升值有较大的提升;在快速断裂阶段,应变累积量与表面温升值将发生第二次突增,直至试样发生疲劳断裂。进一步利用疲劳过程中的断裂疲劳熵,阐述疲劳过程中的产热机理。材料宏观变形累加的同时,伴随着微观组织的演变,表现为晶体取向、几何必需位错密度以及组织大小角度晶界的变化。不同载荷状态下的齿轮钢微观组织演变规律不同:拉伸大变形下,材料内的晶体取向改变明显均指向拉应力方向。几何必需位错密度显著上升,试样发生加工硬化,大量位错堆积形成亚晶界;疲劳微变形下,晶体取向改变不明显,主要沿＜111＞方向为主的滑移系发生弯曲和旋转协调变形。几何必需位错密度下降,试样产生循环软化,导致疲劳断裂产生。试样疲劳断口形貌呈现三个区域:疲劳裂纹萌生区、疲劳裂纹扩展区和疲劳瞬断区。疲劳裂纹扩展区有明显的解理台阶、河流花样和疲劳辉纹等形貌,且疲劳辉纹光滑、间距稳定呈现塑性断裂特征。本文通过循环载荷分别与稳定阶段的棘轮应变差值及表面温升值的线性拟合实现齿轮钢疲劳极限的快速预测。疲劳极限预测值分别为681.4 MPa和664.9 MPa,与传统疲劳试验方法得到的结果相比误差分别为1.11%和3.50%。断裂疲劳熵在673.2 MPa时由0.1 MJ/m~3K以下突变至0.46 MJ/m~3K。本课题对疲劳极限评定与传统疲劳S-N曲线方法一致,证明了上述两种方法在快速预测疲劳极限研究中的技术可行性。