高校大科学设施推动高端装备制造业创新研究——以环境与载荷耦合全尺寸试验为例

大科学设施是推动前沿基础科学发展和技术创新的重要条件支撑,越来越多的高校承担了大科学设施的建设运行任务。重大工程材料服役安全研究评价设施通过研制开发能够实现真实服役工况的、复杂环境与载荷耦合的全尺寸试验装置,积极面向高端装备制造开展复杂工况下服役性能试验,对相关学科融合发展,以及国产高端装备制造的材料选型、新材料应用、设计优化和可靠性评价等方面发挥了不可替代的推动作用,在核心技术研发与产品验证等环节中加速国产化进程,是直接面向国民经济主战场的大科学设施。该文在总结环境与载荷耦合全尺寸试验技术创新的基础上,分析了大科学设施服务高端装备制造产业的实际案例。

表面超声滚压处理对高速列车车轴钢疲劳性能的影响

对EA4T型高速列车车轴钢棒状旋转弯曲疲劳试样实验段磨削加工后进行了表面超声滚压处理。观察了处理前后试样的表面形貌及表层微观组织,测量了处理前后试样的表面粗糙度、表层硬度及表层残余应力。利用旋转弯曲疲劳实验得到处理前后试样的疲劳极限。结果表明:表面超声滚压处理后,试样的疲劳极限由352MPa提高到401MPa。疲劳极限的提高主要由于表面超声滚压处理后试样表面粗糙度降低、表层强度及残余压应力增加。

车轮钢中的白点及其断口形貌研究

研究了车轮钢中白点的形成过程,制备了白点(氢压裂纹)的真实断口,并与含白点试样的各种断口进行了对比．结果表明,先形成氢鼓泡,然后从鼓泡壁产生微裂纹,它们互相连接形成白点．白点断口和含白点试样的断口概念不同,前者为准解理, 与氢致滞后开裂断口相同;后者则依赖断裂方式和试样厚度．钢中白点除了产生二次裂纹外,对各种断口形貌均无影响．车轮钢的滞后断裂由原子氢引起,与白点无关．

原子氢和白点对车轮钢力学性能的影响

车轮钢中白点形成的临界可扩散氢浓度为(C_0~*=1．3×10^(-6)(总氢浓度C_T~*=3．7×10^(-6)),当白点数量超过临界值(对应的可扩散氢浓度C_0＞5．6×10^(-6)),则使强度和塑性急剧下降,但实际车轮中白点含量少(Co＜3．9×10^(-6)),对材料的拉伸性能和断裂韧性没有影响,原子氢对断裂韧性K_(IC)没有影响；但如慢拉伸,则使塑性下降,如恒位移加载,则原子氢能引起氢致滞后开裂,其门槛应力强度因子K_(IH)随C_0升高而线性下降,即K_(IH)=57．8—3．9C_0,但白点对氢致滞后开裂没有影响。

MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响

通过实验和有限元计算研究了MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响.结果表明:当MnS夹杂长度取向与氢渗透方向平行时,氢在钢中的表观扩散系数随MnS含量的增加而增加;当MnS夹杂长度取向与氢渗透方向垂直时,氢在钢中的表观扩散系数随MnS含量的增加而降低.对于具有扩散通道效应和陷阱效应的第二相,它对氢扩散的影响取决于扩散通道效应和陷阱效应的强弱以及第二相的形状、数量和取向.

夹杂对氢鼓泡形成的影响

通过粘接低熔点合金后拉伸,可使纯铁表面氢鼓泡被剖开,露出内部断口形貌．扫描电镜观察和能谱分析表明,氨鼓泡是含H_2的空腔,大多数(88%)鼓泡核附近存在夹杂．这表明含H_2空腔择优在夹杂界面处形成,当鼓泡中氢压产生的应力超过原子键合力(有可能被氢降低)时,裂纹从鼓泡核壁形成,产生断裂花样,氢进入已开裂的鼓泡就使它通过裂纹扩展而不断长大,直至鼓泡破裂,内部氢压释放．

温度对高速车轮钢断裂韧性的影响

针对高速车轮钢低温环境下服役安全评价的需求,按照试验规范,在20,0,-20,-40,-60和-80℃下,分别进行标准圆棒拉伸试样的拉伸试验、紧凑拉伸(CT)试样的断裂韧性试验和Charpy-V型缺口冲击试样的冲击韧性试验,分析温度影响高速车轮钢断裂韧性的机理,研究高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的规律。结果表明:20^-80℃下,高速车轮钢的断裂韧性和冲击韧性处于韧—脆转变区,且随温度的降低而降低;随着温度的降低,由于车轮钢屈服应力升高,CT试样的裂纹尖端由塑性形变强化而导致的解理起裂逐渐变为直接解理起裂;采用Master Curve法预测高速车轮钢的断裂韧性时,适用的最低温度仅为-14.4℃,不能满足高速车轮钢的实际服役环境温度(最低-40℃)需要;根据高速车轮钢的断裂韧性随温度降低基本呈线性下降的趋势,给出了室温(25℃)至-80℃温度范围内高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的线性拟合关系式,以满足利用室温断裂韧性预测高速车轮钢低温断裂韧性的需要。

铁素体-珠光体组织中解理微裂纹形成的细观力学分析

针对铁素体 珠光体钢中解理微裂纹的形成机理,用有限元方法计算了铁素体 珠光体组织细观尺度内应力应变的分布及其随外加宏观应力的变化.研究结果表明,铁素体内的等效应力σe和正应力σ11低于珠光体,但其等效塑性应变εep高于珠光体.在铁素体和珠光体中的等效塑性应变和正应力分布不均匀,在某些铁素体 珠光体边界处存在较高的塑性应变和正应力集中,在某些珠光体中也存在较大的正应力,从而使解理微裂纹易于在该处形核并长大.

连铸温度和低倍组织对轮箍钢氢致开裂的影响

研究了轮箍钢低倍组织和连铸温度对白点敏感性、断裂韧性的影响．结果表明,连铸温度对白点敏感性有影响,低温铸坯(尾坯)的白点敏感性略高于高温铸坯(头坯)．低倍组织对白点敏感性影响显著,柱状晶区的白点敏感性最低,等轴晶区的白点敏感性最高．但是,低倍组织和连铸温度对氢扩散和条件断裂韧性K_(IQ)均没有影响．

原子氢和白点对车轮钢力学性能影响的进一步研究

研究了原子氢和白点对车轮钢冲击韧性和疲劳性能的影响．结果表明,可扩散氢浓度较低(C0≤0.7×10-6)时、氢对冲击韧性及疲劳性能没有影响,白点降低冲击韧性并且使冲击韧性值的波动范围增加;当可扩散氢浓度较高(C0≥2．5×10-6)时,氢能促进疲劳裂纹的形核和扩展,白点能增加疲劳裂纹扩展速率,并且使疲劳裂纹扩展速率发生明显的波动．

温度及应变速率对高速车轮钢形变行为的影响

为高速车轮服役性能评价及失效分析提供依据,在-60~400℃温度及6.67×10-4~3 782s-1应变速率范围内对高速车轮钢进行拉伸及压缩试验,测量其屈服应力、抗拉强度、断面收缩率、伸长率、应变硬化指数、应变硬化系数等材料力学参量,研究材料力学参量随温度和应变速率的变化。结果表明：在试验范围内高速车轮钢的屈服应力、抗拉强度随应变速率常用对数的升高而线性增加,随温度的升高而基本呈线性降低;屈服应力在试验温度上升范围内下降了225 MPa,在试验应变速率增加范围内上升了270 MPa,而断面收缩率和伸长率则随温度的升高而增加、随应变速率的增加而略有降低;应变硬化指数基本不随温度的变化而变化,但随加载速率的增加而降低;应变硬化系数随温度和应变速率的增加而降低;温度及加载速率对高速车轮钢材料塑性本构关系的定量影响可通过包含温度和应变速率参数的Hollomon方程描述。

夹杂物和晶粒尺寸对洁净车轮钢室温冲击韧度的影响

对洁净车轮钢在不同温度下进行正火处理,得到不同晶粒尺寸的显微组织,然后对车轮钢进行室温冲击试验,利用扫描电镜对冲击试样断口形貌进行观察,研究了夹杂物和晶粒尺寸对洁净车轮钢室温冲击韧度的影响。结果表明:部分车轮钢冲击试样以夹杂物起裂,夹杂物类型为Ti(C,N),另一部分冲击试样断口起裂源处则未发现有夹杂物,但尺寸在10μm以下的Ti(C,N)夹杂物对车轮钢的冲击韧度没有明显的影响,而晶粒尺寸对车轮钢的冲击韧度有明显影响;其主要原因是室温下车轮钢冲击断裂的临界事件是微裂纹穿过晶界扩展引发解理断裂,因此晶粒尺寸是决定洁净车轮钢冲击韧度的主要因素。

加载速率对低合金钢缺口断裂行为的影响

通过对低合金钢(FCW-62)在-100℃1-500mm/min不同加载速率下缺口试样四点弯曲实验及断裂应的测量,研究了加载速率对低合金钢缺口试样断裂行为的影响.结果表明:加载速率较低时,断裂应力较高;加载速率较高时,断裂应力较低.断裂应力的变化是由断裂的临界事件随加载速率的变化引起的,并且当临界事件相同时断裂应力不随加载速率变化.当加载速率在30mm/min左右时,缺口韧性随加载速率的增加迅速下降,这是由于断裂应力在此时发生了突然改变.

轮箍氢致裂纹的形成、扩展及预防

以近年来发生崩裂的6个车轮轮箍为研究对象,在进行断口观察、周向应力有限元分析、残余应力测量、紧凑拉伸试样的断裂韧性测试和疲劳裂纹扩展门槛值、氢致滞后断裂临界应力和陷阱氢浓度测定的基础上,研究轮箍崩裂的原因和机理并提出预防措施。结果表明:当轮箍中可扩散氢浓度足够高时,在残余应力(或装配应力与残余应力共同)作用下轮箍内部产生氢致裂纹,氢致裂纹在氢压及拉应力的作用下滞后扩展,氢致滞后断裂临界应力随可扩散氢浓度的增加而降低;对于长大到一定尺寸的氢致裂纹,即使不发生氢致滞后扩展,也会在轮箍运行过程中发生疲劳扩展,轮箍的疲劳裂纹扩展门槛值为5.5MPa·m1/2;预防氢致裂纹导致轮箍崩裂的根本方法是将轮箍中总的氢浓度控制在1.8×10-6以下。

贝氏体车轮钢的氢脆敏感性

用电解充氢试验方法研究了可扩散氢浓度对贝氏体车轮钢慢拉伸性能及氢致滞后开裂性能的影响,并与普通珠光体-铁素体车轮钢进行了对比。结果表明,在相同慢拉伸条件下,贝氏体车轮钢材料的塑性损失高于珠光体-铁素体车轮钢;在相同的充氢条件下,贝氏体车轮钢氢致开裂门槛应力强度因子相对于断裂韧性值的降低程度明显高于珠光体-铁素体车轮钢,具有较高的氢致开裂敏感性。

加载速率对缺口前应力、应变分布的影响

用动态有限元法,计算了一种低合金钢在不同加载速率下四点弯曲缺口试样缺口根部应力、应变和应变率的分布.结果表明:缺口前各点的应变率和试样整体屈服载荷Pgy随加载速率的增加而增加;在相同的P/Pgy下,缺口前各点的正应力随加载速率的增加而增加,而应变基本不变.加载速率对缺口前应力、应变分布的影响是由于其引起了缺口前应变率的变化,从而使材料力学性能发生变化所引起的.

微合金化洁净车轮钢产生氢鼓泡的可扩散氢临界质量分数

用电解充氢法研究了微合金化洁净车轮钢产生氢鼓泡的可扩散氢临界质量分数。结果表明,洁净车轮钢的可扩散氢质量分数随充氢电流密度的增加而增加,氢鼓泡密度也随着充氢电流密度的增加而增加,试样中产生氢鼓泡的可扩散氢最低质量分数为2.22×10 6。设定氢鼓泡密度0.5cm 2≤ρ≤3cm 2为临界条件,则产生氢鼓泡的可扩散氢临界质量分数为(3.64±0.55)×10 6。

加载速度对低合金钢缺口试样解理断裂临界事件的影响

通过对低合金钢 (WCF 6 2 )在 - 10 0℃不同加载速度下的缺口试样四点弯曲 (4PB)实验及对断口和截剖金相试样的观察 ,研究了加载速度对低合金钢缺口试样解理断裂临界事件的影响 .结果表明 :加载速度从 30mm min增加到 5 0 0mm min时 ,解理断裂的临界事件由晶粒尺寸裂纹的扩展控制到扩展和起裂的混合控制再转变为起裂控制 ,其根本原因是材料的屈服应力σy 随加载速度的增加而升高 .

室温下高速车轮钢断裂韧性与冲击韧性的关系

通过紧凑拉伸(CT)实验,测试不同热处理条件下高速车轮钢的室温断裂韧性;在具有不同断裂韧性的CT试样上取样,制成标准夏比V型冲击试样,在室温下对冲击试样进行冲击实验,并对其断裂韧性、冲击试样的断口和显微组织进行观察和分析。结果表明:室温下该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性呈线性关系,预裂纹加载断裂和缺口冲击断裂以解理断裂为主;车轮钢中的夹杂物主要为Ti(C,N),在室温条件下对该车轮钢的断裂韧性和冲击韧性基本没有影响。

车轮钢中的白点(一)

研究了车轮钢中白点形成的机理以及白点对断口形貌的影响。结果表明,氢和空位聚集导致鼓泡形核和长大,随着鼓泡内氢气压力的升高,裂纹从鼓泡核壁形核、扩展导致白点形成。白点的断口为准解理,和氢致滞后开裂断口相同,含白点试样的断口形貌依赖于断裂方式和试样厚度。钢中的白点除了产生二次裂纹和局部准解理断面外,对各种断口形貌均没有明显的影响。