基于高温拉伸与压缩实验的LZ50车轴钢热加工图研究

为优化LZ50车轴钢热加工工艺参数,通过热模拟试验机对LZ50车轴钢进行了热拉伸与热压缩实验,分别确定了拉伸与压缩时的峰值应力本构模型,并基于高温拉伸与压缩实验构建了材料的热加工图。结果表明,建立的拉伸与压缩峰值应力模型平均绝对误差分别为3.33%和3.65%,具有可靠性;综合分析LZ50车轴钢拉伸与压缩的热加工图发现,拉伸变形时选取高温低应变速率区域,即变形温度1040~1100℃,应变速率0.1 s^(-1)为LZ50车轴钢最优热加工区域;压缩时真应变为0.6,采用低温高应变速率,即变形温度900~950℃,应变速率1~10 s^(-1)为LZ50车轴钢的最优热加工区域。

LZ50车轴钢转动微动摩擦学特性研究

在新型转动微动磨损试验机上,进行LZ50车轴钢/GCr15钢在法向载荷为10N、转动角位移幅值为0.125°～0.5°的转动微动磨损试验。在摩擦动力学行为分析的基础上,结合磨痕的微观分析,研究材料的转动微动磨损机理。结果表明,LZ50车轴钢的微动运行区域仅呈现部分滑移区和滑移区,未观察到混合区。滑移区的摩擦因数明显高于部分滑移区;摩擦因数随着转动角位移幅值的增加而增大。车轴钢在部分滑移区损伤轻微,磨痕呈环状;而在滑移区,接触中心呈现材料塑性流动累积造成"隆起"特征,LZ50钢的转动微动磨损机制主要为磨粒磨损、剥层和氧化磨损。

LZ50车轴钢的概率循环本构模型

试验研究了LZ50车轴钢随机循环本构模型。验证了先前在焊缝金属试验中的发现与推断,即工程材料的循环本构存在随机性,与广泛所认识的循环应变一寿命关系的随机性一样,是固有的疲劳现象。同时考虑数据分散性规律和数据量对概率评价的影响,基于Ramberg—Osgood方程及其修正形式,提出了任意存活概率和置信度的随机循环本构模型及其参数的求解方法。LZ50车轴钢试验数据的分析验证了模型的有效性和实用性。

两种终加工工艺下LZ50车轴钢疲劳短裂纹扩展行为对比研究

为研究两种常用终加工工艺对LZ50车轴钢疲劳短裂纹扩展行为的影响,分别进行7个精车试样和6个表面滚压试样的短裂纹复型实验。观察结果表明:精车与滚压试样的主导短裂纹扩展率在微观结构短裂纹(MSC)阶段均出现2次明显下降,这一现象源于两种不同微观结构障碍的固有约束;此外,在MSC阶段,给定主导短裂纹尺度下的精车试样裂纹扩展率明显高于表面滚压试样,随着裂纹尺度和扩展驱动力的增加,这种差异逐渐减小。通过比较5种常用的统计分布函数,确定极小值分布为主导短裂纹尺度-扩展率关系的良好假设分布函数,并对相关统计演化规律进行阐述。最后,获得典型试样的短裂纹扩展率曲线。这些曲线反映了主导短裂纹在整个扩展过程中的周期性减速特征,与实验数据吻合良好。

LZ50车轴钢疲劳短裂纹萌生的数值模拟

针对LZ50车轴钢的疲劳短裂纹应用数值方法对疲劳短裂纹在LZ50车轴钢中的萌生进行了数值模拟。利用二维Voronoi图随机地生成了该材料的微观结构。根据对疲劳试样所施加的载荷,结合有限元法得到了该微观结构中应力和应变的分布规律。最后利用材料的疲劳S-N曲线和裂纹萌生的概率方法给出了在不同循环周次下LZ50钢中疲劳短裂纹的萌生过程。该数值模拟的结果可用于进一步分析LZ50车轴钢中疲劳短裂纹的扩展和群体演化行为。文中还指出在单向拉压的工况下,短裂纹的萌生方向主要受到与载荷方向相一致的应变影响,最大剪应变方向萌生方向的夹角为45°。

低温对LZ50车轴钢短裂纹行为的影响

为了明确在低温环境下铁路车轴钢的疲劳短裂纹扩展行为,以LZ50钢为对象,依据冲击试验结果和材料S-N曲线,设计并完成不同低温环境下的疲劳短裂纹复型试验,采用包含多种微观结构障碍影响的短裂纹扩展率模型对试验结果进行拟合。研究结果表明:温度为-10,-30和-50℃的疲劳寿命分别为室温下的2.3,2.8和11.7倍,疲劳寿命随环境温度降低而大幅度提高;在微观短裂纹(MSC)阶段,裂纹扩展率受材料微观结构影响经历2次降速,在物理短裂纹(PSC)阶段,裂纹扩展率持续增加,且随温度降低而下降;LZ50车轴钢MSC和PSC阶段分界点对应的疲劳寿命分数为0.47左右,临界裂纹长度约为100μm,且材料韧脆转变对短裂纹行为影响不大;所采用的扩展率模型对不同温度下短裂纹试验结果均可得到较好的拟合效果。

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。

LZ50车轴钢表面激光淬火对其摩擦磨损性能及机理的影响

为了研究激光淬火对LZ50车轴钢组织形貌及摩擦磨损性能的影响,对LZ50车轴钢进行表面激光淬火处理。采用金相显微镜分析了LZ50车轴钢淬火前后的组织及晶粒度,通过场发射扫描电镜分析了淬火硬化层的界面形貌,利用X射线残余应力衍射仪分析了残余应力及残余奥氏体含量,利用摩擦磨损试验机研究了摩擦系数和磨损形貌,讨论了激光淬火对摩擦系数和磨损机制的影响。结果表明:激光淬火之后,LZ50车轴钢组织由粗大的珠光体+铁素体+奥氏体变为细小的珠光体+残余奥氏体,晶粒度等级由3级变为7级;淬火硬化层厚3μm,残余应力由原来的拉应力(137.1±38.0)MPa降低为压应力(-165.5±15.0)MPa,奥氏体含量由11.2%降低为3.1%;LZ50车轴钢激光淬火后平均摩擦系数较淬火前降低了13.9%,磨损机制由黏着磨损变为磨粒磨损。

LZ50车轴钢性能和组织的研究

通过实验分析了正火处理对热轧态铁道车辆用LZ50车轴钢性能及组织的影响。结果表明:LZ50车轴钢热轧状态下强度高,晶粒粗大,塑性和冲击功很低;正火处理可明显改善LZ50车轴钢热轧态性能,使塑性和冲击功显著提高,但强度略微降低;正火处理可显著细化LZ50车轴钢热轧态晶粒;LZ50车轴钢特别在热轧状态下,对缺口敏感。

激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能影响试验研究

为了研究激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能的影响,对LZ50车轴钢车轴试样进行激光冲击强化处理并在JD-1轮轨模拟试验机上进行了旋转弯曲疲劳试验。结果显示:采用不同参数激光冲击强化处理的2个试样,硬度分别增大18%和27%;对LZ50车轴钢试样的过盈配合面进行激光冲击处理后产生了塑性变形层,形成了较高的残余压应力;试验后试样过盈配合表面两侧区域都可见明显的环形损伤带,出现了以剥落和犁沟为特征的磨损形貌,损伤机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。激光冲击前后试样断口形貌特征相似,疲劳源呈多源性;在裂纹扩展区域段观察到大量的准解理小面,属于脆性穿晶断裂;瞬断区内出现大量韧窝和二次裂纹。激光冲击强化处理显著提高了车轴钢的疲劳寿命,不同激光冲击强化参数处理的2个车轴试样疲劳寿命比未处理试样疲劳寿命分别提高31%和21%。

LZ50车轴钢中的混晶组织

对具有不同原始组织的三个炉号的LZ50车轴钢进行了不同工艺的热处理,用金相方法分析了晶粒度的变化规律,比较了钢中微量元素Al、Ti含量与晶粒度的关系,结果表明：具有混晶组织的LZ50车轴钢加热到Ac1~Ac3之间时晶粒细化,但超过Ac3温度后即出现混晶,且不同钢中混晶倾向与原始状态的相同;钢中微量元素Al、Ti含量越高,混晶倾向越严重;高温固溶、低温析出预备热处理可以改变晶粒长大倾向,消除混晶组织.在此基础上对LZ50车轴钢的混晶原因进行了讨论.

LZ50车轴钢表面超声滚压改性分析

对LZ50车轴钢进行表面超声滚压处理。利用金相显微镜和扫描电镜观察试样超声滚压前后表面形貌和截面组织,分析超声滚压处理前后试样的硬度和残余应力。研究结果表明:超声滚压处理前,试样表面存在1μm的车削细晶层。经过超声滚压处理后,试样表面粗糙度降低,表层显微组织发生明显塑性变形,形成约2μm的剧烈塑性变形层,塑形变形层内部铁素体晶粒细化,片状渗碳体碎化溶解,表面硬度升高,表面残余压应力提升,轴向残余压应力均大于周向残余压应力。这些特性均有利于提高车轴的抗疲劳性能。

LZ50车轴钢高温拉伸变形行为及塑性损伤形成机理

为探究LZ50车轴钢的高温拉伸变形行为及塑性损伤形成机理,设计了不同的拉伸试件,在900~1100℃/0.1~10.0 s^(-1)的变形条件下进行了一系列高温拉伸试验,获得了LZ50车轴钢高温拉伸真应力-真应变数据,观察了拉断试件的损伤形貌。结果表明,LZ50车轴钢高温拉伸的峰值应力表现出对应变速率和应力三轴度的正敏感性以及对温度的负敏感性。应变速率为0.1和1.0 s^(-1)时,断裂应变随温度的升高先增大后降低,应变速率为10.0 s^(-1)时,断裂应变随温度的增加持续增加。应力三轴度增加44%时,断裂应变均值从0.3353降至0.1522,降幅达54.59%。LZ50车轴钢高温拉伸塑性损伤表现为夹杂损伤和晶界损伤两种,考虑夹杂损伤的位置,塑性损伤又可分为晶内夹杂损伤、晶界夹杂损伤和混合损伤。高温拉伸断口分为韧窝型断口和脆性解理型断口,其中RB6-1000℃-0.1 s^(-1)试样为脆性解理断裂。轧制LZ50车轴钢最佳的工艺参数为:RB6-1000℃-1.0 s^(-1),为避免损伤的影响,应降低材料各处的应力三轴度值。

LZ50车轴钢高温拉伸变形本构模型研究

为更好地描述LZ50车轴钢的高温拉伸变形行为,采用Gleeble-3800热模拟试验机在变形温度分别为900、1000和1100℃,应变速率分别为0.1、1.0和10.0 s^(-1)的条件下对LZ50车轴钢进行了高温拉伸试验,获得了不同变形条件下的应力、应变数据,并基于修正的Johnson-Cook(JC)本构模型和多元非线性回归的本构模型(DMNR)建立了两种LZ50车轴钢的高温拉伸本构模型。将建立的两种模型的预测值与试验数据进行对比,并采用相关系数R以及平均相对误差AARE对建立的两种模型的预测精度进行定量分析。结果表明:两种模型在不同变形温度下的预测能力存在差异;JC模型在900℃下的预测能力较好,R值和AARE值分别为0.995和1.20%;在1000℃变形温度下,DMNR模型的预测能力较好,R值和AARE值分别为0.997和6.38%;而在1100℃下两种模型的预测精度相差不大。

热处理工艺对LZ50车轴用钢性能的影响

研究了不同的热处理工艺对于制造铁路货车车轴用LZ50钢力学性能和金相组织的影响。通过采用不同的温度对LZ50钢进行正火处理,在800~900℃温度范围内,随着正火温度的降低,钢材强度下降,但塑性提高。正火后,增加回火工序,LZ50钢的屈服强度和抗拉强度降低,延伸率和断面收缩率没有明显变化,而实际晶粒度略有提高。

稀土对LZ50车轴钢组织和性能影响的研究

在实验室中冶炼了添加混合稀土丝的LZ50车轴试验钢,对试验钢进行了冲击性能测试、显微组织、夹杂物形态和冲击断口形貌分析。结果表明,添加适量的稀土可以提高LZ50车轴钢的横向冲击韧性,改善夹杂物形态,细化晶粒,珠光体中渗碳体片由长条片状向短棒状或粒状的形态变化。

表面滚压对LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为的影响

完成了6根表面经滚压处理的漏斗形圆棒试样疲劳短裂纹复型实验,结果表明其短裂纹行为表现出明显的微观结构短裂纹(MSC)和物理短裂纹(PSC)2阶段特征.在MSC阶段,由于不同微观结构障碍的阻碍,主导短裂纹出现2次较明显的扩展减速,进入PSC阶段后,随着主导短裂纹尺度的增长,该现象不再显著.与表面未经滚压的试样相比,在给定主导短裂纹尺度条件下,滚压试样的裂纹扩展速率低得多,这种差异在MSC阶段可达1个数量级.滚压试样平均疲劳寿命达到未滚压试样的6.4倍.表面滚压处理有效抑制了微裂纹的形核与合并,改善了局部微观结构条件,并推迟了MSC与PSC过渡阶段的到来,提高了材料的抗疲劳性能.对主导短裂纹尺度、疲劳寿命分数和有效短裂纹密度3种特征参量进行分析,确定了其良好假设分布和统计演化规律.

两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比

在加载频率为180、15Hz条件下,分别利用高频疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机完成了各6根光滑漏斗形圆棒试样的短裂纹复型试验。试验结果表明:在微观短裂纹(MSC)阶段,主导短裂纹的扩展均经历2次显著的减速过程,在加载频率为180Hz,扩展率降至最小值时,裂纹统计平均尺度分别为11.49、106.32μm,在15Hz下分别为14.14、122.29μm;考虑试样个体间不可避免地存在微观结构细节差异,从统计角度出发,可以认为2次减速完成时的裂纹尺度分别对应铁素体晶粒平均直径14.26μm和富珠光体带状结构间距111.53μm这2种特征尺度;进入物理短裂纹(PSC)阶段后,扩展率随主导短裂纹尺度增加持续上升;2种加载频率下主导短裂纹扩展率曲线和密度曲线在很大程度上相互重合,变化趋势一致,整体来看无显著差异;在MSC阶段,低加载频率下的短裂纹扩展率略高于高加载频率下的结果,但差异并不明显,最大速率差未超过一个数量级;加载频率15Hz下短裂纹突破微观组织结构障碍消耗的寿命占总寿命比例较小,2次降速对应的平均寿命分数分别为0.027和0.525,而180Hz下对应的寿命分数分别为0.071和0.688;通过统计分析,对比了7种常用统计分布,确定了主导短裂纹尺度服从极大值分布,疲劳寿命分数和有效短裂纹密度服从极小值分布。

LZ50钢车轴的旋转弯曲疲劳性能

在LZ50钢车轴上制取了光滑试样和环形缺口试样,按照AAR M-101-2009新标准测试了其旋转弯曲疲劳性能,并观察了断口形貌。结果表明:光滑试样的旋转弯曲疲劳裂纹萌生于试样表面,而环形缺口试样的裂纹萌生于缺口前缘,并呈多源开裂形式,两种试样均形成与轴向垂直的平断口;当车轴的拉伸强度提高5%后,其光滑试样旋转弯曲疲劳性能也得到明显提高,环形缺口试样虽中值疲劳强度比光滑试样的降低18%,但其旋转弯曲疲劳极限缺口敏感系数仍与国外碳素钢车轴保持在同一水平上。

LZ50钢车轴发纹成因分析

采用光学显微镜、扫描电镜以及能谱仪等仪器分析手段对LZ50钢车轴机加工后出现发纹的原因进行了分析。结果表明:该车轴发纹是由于钢中的氧化铝类夹杂物在机加工时暴露于车轴表面而形成的缺陷;同时提出了通过氩封浇注的方法来减少二次氧化所带来的氧化物夹杂,从而提高了车轴的磁粉探伤合格率。