新型CL60钢地铁车轮摩擦磨损试验研究

为了提高地铁车轮的服役性能,对车轮用CL60钢材料中Si、Mn、Cr等元素的质量分数进行重新设计和优化,研发新型CL60钢地铁车轮,通过GPM-60摩擦磨损试验机模拟轮轨磨损试验,研究原CL60钢车轮与新型CL60钢车轮在实验室条件下的磨损特性。基于赫兹模拟准则设计计算了模拟试验采用的轮轨试样尺寸、施加的载荷和转速;通过不同载荷工况下的摩擦磨损试验和轮轨材料微观组织分析,研究2种轮-轨试样的磨损量、磨损率、塑性变形及表面形貌的变化规律及特征,对新型CL60钢车轮的使用性能进行评价。结果表明:与原CL60钢车轮相比,在不同载荷下新型CL60钢车轮试样磨损量、轮-轨试样总磨损量、磨损率及摩擦表面塑性变形层厚度均大大降低,其抗磨损性能和塑性变形能力得到了改善。

旋转弯曲和超声波循环加载高周疲劳性能对比分析

通过旋转弯曲(频率52.5 Hz,10~3~10~8周次)和超声波(频率20 kHz,5×10~4~10~9周次)轴向循环载荷疲劳实验,研究不同应力比(R)、加载方式和夹杂物对CL60钢高周、超高周疲劳性能的影响。结果表明:所有S-N曲线均呈现水平渐进趋势,并具有明确的疲劳极限;应力比R=-1情况下,通过超声波实验获得的疲劳强度(260~270MPa)比旋转弯曲获得的疲劳强度(400~410 MPa)低140~150 MPa,并且应力比R=0.3的超声波疲劳极限值在195~205 MPa的范围内;旋转弯曲疲劳实验的疲劳裂纹起源于试件的表面,超声波疲劳实验的表面和内部均有裂纹萌生,且裂纹均在MnS夹杂物附近产生,与应力比大小无关。采用有限元方法研究了MnS夹杂物对裂纹萌生和扩展的影响,椭圆MnS夹杂物的侧面相较于尖端位置应力集中水平更高,导致裂纹从夹杂物侧面萌生。

CL60钢拉扭微动疲劳行为及断裂研究

在改进的微动试验装置上,实现了拉扭微动的复合。比较了不同应力幅值对CL60钢拉扭复合微动疲劳寿命的影响,利用扫描电镜分析了微动疲劳裂纹的萌生和扩展机制。结果表明:随着循环应力幅升高,拉扭微动疲劳寿命降低;在各个应力幅值下,试样总体上显示出循环软化的特征。疲劳裂纹萌生在微动区和未微动区的交界处,主裂纹聚合附近的一些微裂纹最后形成一条宏观裂纹扩展,导致试样断裂。

铁道货车车轮CL60钢在450℃时的低循环疲劳行为

铁道货车车轮产生损伤失效的主要原因是承受了复杂的热载荷和机械载荷的联合作用,而高温低循环疲劳是车轮踏面区域产生损伤的重要机理之一.针对铁道货车车轮CL60钢进行了450℃时的高温低循环疲劳实验.研究发现:在整个循环过程中,应力-应变关系曲线的变化趋势基本一致;随着循环周次的进行,拉压应力峰值呈现出连续的降低态势,压应力峰值减幅略大于拉应力峰值减幅,表现了低循环疲劳的典型特性;试样断口上出现了较为严重的氧化现象,断口裂纹扩展以穿晶为主.

840D货车车轮CL60钢在300℃下的低周疲劳特性

以货车车轮CL60钢为研究对象,进行了300℃下的高温低周疲劳实验.研究发现:在循环初期,试样承受的拉压应力幅基本对称;循环末期,拉应力急剧降低,试样产生了失稳断裂;终了时的循环应力-应变曲线反映出了典型的瞬断特征.因此,有必要从断口处进一步研究其微观断裂机理.

CL60车轮钢流变应力模型

利用热模拟试验机Gleeble-3500对车轮钢CL60钢进行压缩试验,研究其变形行为。实验变形温度为800～1100℃,应变速率为0.2～8.0s-1。用两种模型对真应力-应变曲线进行模拟。两种模型模拟的结果都与实验结果吻合较好,模型1计算简单,可作为CL60钢的流变应力模型。

CL60钢碳与夹杂物的控制

针对车轮用CL60钢在冶炼过程中碳及夹杂物难以稳定控制的问题,分析讨论了主要工艺参数及影响因素,指出保证出钢留渣是控制碳的有效方法,而调包温度和浇注速度的正确选择则是降低杂夹物的有效措施。

含Mo元素CL60钢CCT曲线的测定及分析

在Gleeble-3800热模拟机上测定了含微量Mo元素CL60钢在不同冷却速度下连续冷却时的膨胀曲线,并采用金相-硬度法,测定了该钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线),研究了冷却速度对其显微组织演变以及硬度的影响。结果表明:当冷却速度小于1℃/s时,实验钢的转变产物为先共析铁素体和珠光体组织;当冷却速度增加到2℃/s时,开始发生贝氏体转变;当冷却速度增加到5℃/s时,开始发生马氏体转变;冷却速度在5~10℃/s的范围内时,转变产物为少量铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体所组成的混合组织;当冷却速度为15℃/s时,先共析铁素体消失;当冷却速度为20~40℃/s时,转变产物为珠光体和马氏体混合组织;当冷却速度大于50℃/s时,转变产物全部为马氏体组织。随着冷却速度的增大,实验钢的硬度逐渐增大。尽管Mo元素的加入能细化珠光体片间距,但加Mo元素CL60钢在生产过程中得到理想组织的条件更加苛刻。为避免贝氏体、马氏体等非理想组织出现,不同部位的冷却速度须严格控制在2℃/s以下。

CL60车轮钢热处理后的接触疲劳寿命

研究了CL60钢在830℃保温30min后立即在水中冷却3～5s，然后在500℃回火40min，最后空冷至室温后的显微组织、力学性能及接触疲劳寿命，分析了夹杂物和残余应力对其接触疲劳寿命的影响。结果表明，热处理后，CL60车轮钢组织为细小均匀的索氏体，强塑性得到提高。径向载荷F〉1500N时，随着载荷增大，接触疲劳寿命呈几何倍数下降。组织中的氧化铝夹杂降低了车轮钢的接触疲劳强度，而硫化物对接触疲劳寿命影响较小。热处理后残余压应力增加，从而延长其接触疲劳寿命。

整体辗钢车轮淬火工艺的数值模拟

利用DEFORM-HT软件结合CL60钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线),研究了某840D型车轮在不同淬火工艺下的温度场、应力场以及微观组织变化情况。结果表明:踏面喷水淬火工艺是最优淬火方案,踏面喷水淬火后车轮的最大等效应力(卸载之后的等效应力即为残余应力)为245 MPa,优于其他方案,车轮踏面在淬火过程中发生马氏体转变可以增加车轮的耐磨性,车轮轮辋表面的硬度约为33 HRC,满足企业27~34 HRC的要求。根据实际工况结合CL60钢的CCT曲线建立了车轮喷水淬火的试验方案,观察试样的显微组织并与模拟结果进行对比,证明模拟结果是可靠的。