近日，阚前华教授研究小组在固体力学领域期刊《International Journal of Fatigue》发表了题为“A crystal plasticity model for multiaxial cyclic deformation of U75V rail steel”的研究成果。硕士研究生武斌为论文第一作者，阚前华教授为通讯作者，合作者还包括徐祥博士、张旭教授、于超教授、温泽峰教授和王平教授。
图1 论文首页
在车轮与钢轨的循环滚动接触过程中，钢轨受到非比例多轴循环载荷作用，钢轨表面会沿车轮行进方向产生明显的棘轮变形。钢轨材料的棘轮变形以一定方向的循环塑性变形积累为特征，是诱发滚动接触疲劳的关键因素。因此，钢轨材料在非比例多轴循环载荷作用下的循环变形行为和变形机理的实验和理论研究对轮轨滚动接触疲劳设计与评估具有重要意义。
本文在经典晶体塑性框架的基础上，提出了一个新的细观尺度非比例参数，并对各向同性硬化和随动硬化模型进行了修正。使用该模型结合薄壁圆管有限元模型，对U75V钢轨材料在单轴和多轴循环加载下的循环变形行为进行了预测。结果表明，该模型能较好地反映U75V钢轨材料在应变控制单轴和多轴循环载荷下的循环软化向循环硬化的转变过程，以及应力控制下单轴和多轴循环载荷下的棘轮行为。
图2 实验和模拟结果对比：(a)圆形路径，(b)蝶形路径和(c)矩形路径的等效剪应力-轴应变曲线；(d)棘轮应变-循环周次演化曲线
图3 应变控制循环下不同滑移系的非比例参数演化曲线：(a)单轴路径；(b)圆形路径
本文从细观角度解释了多轴加载路径对塑性应变的影响，比较了不同滑移系在单轴和多轴加载路径下的非比例参数值，讨论了非比例参数在宏观尺度和细观尺度上的差异。研究成果有利于进一步在微观尺度下考虑轮轨滚动接触过程中钢轨材料的疲劳失效行为。
该研究受到了国家自然科学基金项目(12072295，U21A20167，12192210，12192214)、国家重点研发项目(2022YFB3401900；2022YFB3401901)、中央引导地方自由探索项目(2023ZYD0133)的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108232
