超声滚压EA4T车轴钢疲劳性能及寿命预测

为研究表面超声滚压(SURP)处理对EA4T车轴钢疲劳性能的影响,首先,采用SURP技术对EA4T车轴钢试样进行表面处理,并对处理后的试样进行表面性能测试,分析表面三维形貌、粗糙度、硬度、残余应力、半高宽(FWHM)和晶粒尺寸的变化;然后,采用旋转弯曲疲劳试验机对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验,获得应力-疲劳寿命(S-N)曲线,并分析裂纹扩展规律,研究SURP处理对EA4T车轴钢疲劳性能和裂纹扩展行为的影响;最后,采用BP(back propagation)神经网络建立了以加载应力幅值、表面粗糙度、表面半高宽、表面硬度、硬化层深度、表面残余应力和残余应力层深度为输入的超声滚压EA4T车轴钢疲劳寿命预测模型,并对超声滚压EA4T车轴钢试样进行寿命预测.研究结果表明:SURP处理可以使试样表面粗糙度降低为0.17μm,并去除表面梨沟形貌;试样表面硬度提升至420 HV,试样表面引入约−500 MPa的残余应力以及约550μm深的残余应力层;研磨试样和研磨抛光试样以及SURP处理试样均具有传统疲劳极限,研磨试样和研磨抛光试样的疲劳性能基本一致,且疲劳极限均为355 MPa,SURP处理试样疲劳性能显著提升,其疲劳极限为455 MPa,相比研磨试样提升了28%;疲劳断口观察表明,所有试样的疲劳裂纹均萌生自表面,SURP处理没有改变试样的疲劳破坏机制;SURP处理使试样的裂纹扩展门槛值从6.29 MPa·m^(1/2)增加到11.21 MPa·m^(1/2),同时减缓了裂纹萌生以及短裂纹扩展,从而显著提高了EA4T车轴钢疲劳性能;超声滚压EA4T车轴钢疲劳寿命预测模型预测精度为88.5%.

国产EA4T钢车轴调质热处理工艺的制定

选择规格ϕ280 mm的国产EA4T钢大尺寸毛坯作为等效车轴,对其进行900℃×5 h水淬以及不同温度(595,610,650℃)保温6 h水冷回火的调质热处理预试验,对车轴表层、1/2半径处和心部的显微组织和力学性能进行分析,获得合适的调质热处理工艺,并应用于国产ϕ256 mm EA4T钢车轴的现场验证。结果表明:595℃水冷回火后等效车轴不同位置以及610℃水冷回火后表层的抗拉强度均略高于EN 13261:2009标准要求,650℃水冷回火后的强度、断后伸长率、断面收缩率以及纵向与横向冲击韧性均符合EN 13261:2009标准要求,组织也基本为回火马氏体/贝氏体。确定EA4T车轴钢的调质热处理工艺为900℃×5 h水淬和650℃×6 h水冷回火。采用上述工艺对ϕ256 mm EA4T钢车轴进行热处理后,其表层、1/2半径处和心部的力学性能和显微组织均符合EN 13261:2009标准要求,不同位置取样拉伸后均发生韧性断裂,断口均由纤维区和剪切唇组成,纤维区呈韧窝形貌。

EA4T车轴钢径切复合微动磨损特性研究

针对车辆轮轴过盈配合部存在的多模式复合微动损伤,开展了柱/柱正交接触下的EA4T车轴钢径切复合微动磨损特性研究.结果表明:摩擦力-位移-循环次数曲线(F_(t)-D-N曲线)表现为3种类型:准梯形型、梯形与椭圆交变型和直线型.分别对应完全滑移区、混合区和部分滑移区.径切复合微动的径向力与切向位移变化周期相同,径向力随切向位移的改变而改变.径切复合微动磨损的磨痕形貌呈彗星状,径向载荷较小侧更容易产生相对滑移,导致磨痕较深.完全滑移区与混合区的磨损机制主要为疲劳剥落、磨粒磨损及氧化磨损.在完全滑移区,F_(t)-D-N曲线为非对称的准梯形型,单次循环平均磨损量先增加后降低.在混合区,损伤程度降低,磨痕表面存在轻微的犁沟和剥落.在部分滑移区,接触区中心存在黏着,接触边缘发生微滑,损伤最轻微,磨损机制主要为黏着磨损.

激光剥离EA4T钢车轴涂层研究

对光纤激光器剥离EA4T钢车轴表面涂层进行实验研究,对激光剥离涂层的作用机理进行分析。研究功率密度、扫描速度、填充间距等对剥离质量、效率的影响规律。结果表明,进行两次剥离,第一次功率密度为2.25×10^(6)W/cm^(2)、扫描速度为16 m/s、填充间距为0.1 mm。第二次功率密度2.25×10^(6)W/cm^(2)、扫描速度为16 m/s、填充间距为0.2 mm,效率为0.8 m^(2)/h。第一次剥离有油漆残留,第二次剥离可有效剥离油漆涂层,但会使EA4T钢表面产生微熔融,验证并不影响其力学性能。

滚压工艺对EA4T车轴表面质量完整性的影响及预测模型建立

表面质量完整性是决定车轴使用寿命和机车行驶安全的关键因素,滚压工艺对车轴表面质量完整性产生重要影响。通过EA4T车轴滚压正交试验,研究了工艺参数对表面质量完整性影响规律,建立了滚压表面粗糙度与残余应力预测模型,并进行回归方程方差分析与残差分析,验证了预测模型的有效性。结果表明:工艺参数中进给速度对表面粗糙度和残余应力的作用最为显著,贡献率分别为粗糙度91.70%、周向残余应力48.95%、轴向残余应力48.18%。此外,滚压道次与滚压深度分别对周向和轴向残余应力有较大影响,贡献率分别为39.15%和33.19%;与其它因素相比,滚压速度对表面硬度影响较大,贡献率达到54.7%。

高铁用EA4T车轴钢热变形行为及变形抗力模型的试验研究

试验用EA4T车轴钢(/%:0.26C、0.35Si、0.75Mn、0.011P、0.012S、1.04Cr、0.22Mo)由10 kg真空感应炉熔炼。用Gleeble-1500热模拟试验机对EA4T车轴钢进行高温单道次压缩试验以研究温度(950～1150℃)、应变量(0～0.8)和应变速率(0.1～20 s^(-1))对该钢变形抗力的影响,并建立该钢热变形抗力的数学模型。结果表明,钢种在较高温度和较低应变速率下动态再结晶容易发生,峰值应力(σ_P)、峰值应变(ε_P)和稳态应力(σ_s)与参数lnZ成线性关系;实验钢的峰值与稳态激活能分别为320.22 kJ/mol和361.91 kJ/mol;变形抗力的预测模型与实验所得结果吻合良好。

国产高速重载列车车轴用钢EA4T的回火脆性

对EA4T钢进行高温系列回火冲击试验,并对其回火脆性进行了研究。结果表明:EA4T钢在550℃回火时出现冲击功低谷,表现出回火脆性,断口表现为准解理断裂;TEM和DSC研究表明:碳化物在马氏体板条束间的析出可能是EA4T钢550℃回火时冲击功出现低谷的重要原因。

国产EA4T车轴钢的缺口疲劳性能

在国产EA4T车轴钢上截取光滑和缺口疲劳试样,按照EN13261-2009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:国产EA4T车轴钢的光滑和缺口疲劳强度均满足EN13261-2009的要求,缺口试样的疲劳强度比光滑试样的低30%左右;光滑试样的裂纹萌生于试样表面,呈单源开裂,缺口试样的裂纹萌生于缺口根部,呈多源开裂;未断缺口试样的缺口根部存在非扩展性裂纹。

EA4T车轴车削工艺参数与表面粗糙度关系研究

通过EA4T车轴车削正交试验,研究了工艺参数与表面粗糙度之间的关系,建立了车轴车削表面粗糙度预测模型,并修正了理论表面粗糙度预测公式。研究结果表明:进给速度是影响表面粗糙度的显著因素,预测模型对车削加工表面粗糙度预测效果较好。

EA4T钢热变形行为及组织演变规律研究

通过Gleeble-3200热模拟机对EA4T钢进行热压缩实验,研究了应变速率为0.01~10 s^（-1）,变形温度为950~1150℃条件下,EA4T钢的热变形行为和组织演变。分析其流变曲线发现,EA4T钢的峰值应力随着温度增大而减小,随着应变速率增大而增大,得到该材料在高的温度和低的应变速率条件下容易发生动态再结晶。基于Arrhenius双曲正弦方程建立了EA4T钢的热变形本构方程;运用数值计算方法,确定了EA4T钢的峰值激活能和稳态激活能分别为385.4和395.4 kJ·mol^（-1）;观察温度以及应变速率对试验钢组织演变的影响发现,动态再结晶晶粒尺寸随着变形温度的增加而增大,随着应变速率的增加而减小;通过测量晶粒度,获得动态再结晶晶粒尺寸和Z参数的关系式。

淬、回火参数对250mm×250mm EA4T高速动车轴用钢组织和性能的影响

试验用250 mm×250 mm方坯EA4T车轴用钢（/%：0.23C,0.32Si,0.70Mn,0.014P,0.010S,0.18Mo,0.03V）的生产流程为60 t EBT EAF-LF-VD-8.4 t铸锭轧制-退火工艺。试验研究了880920℃油淬、600650℃回火工艺对该钢组织和力学性能的影响。经920 C＋600℃、920℃＋650℃和880℃＋640℃淬-回火处理后,该钢的组织分别为马氏体、索氏体＋马氏体和马氏体＋贝氏体;880℃＋640℃淬-回火处理后EA4T钢的力学性能为Rp0.2525 MPa,Rm 720 MPa,A5 23%,U-5 mm纵向冲击功6882 J,横向冲击功6586 J,其组织和力学性能均符合EN13261标准要求。

EA4T空心车轴深孔加工刀具磨损特征的研究

EA4T空心车轴的深孔加工存在质量不稳定、断屑排屑困难、刀具成本高、磨损破损严重等问题。本文重点研究了单齿和错齿BTA深孔刀具的磨损特点,分析了涂层BTA刀具的磨损机理,提出了改善BTA深孔刀具非正常磨损的途径。通过大量生产实践表明,改善刀具的非正常磨损能有效提高深孔加工的精度和表面质量,并降低加工成本。

EA4T车轴车削表面完整性研究

基于EA4T车轴车削正交试验,研究了车削加工工艺参数对车轴表面粗糙度、残余应力分布等表面质量完整性的影响规律,并进行了工艺参数优选。研究结果表明:工艺参数对加工表面粗糙度、轴向与周向残余应力产生较显著影响,且工艺参数对表面粗糙度和残余应力具有相似的影响规律,其中进给量是对加工表面完整性影响最显著的因素。

EA4T材料动态力学特性与本构关系模型

EA4T是动车组列车的主要车轴材料,要实现EA4T车轴高效高精度加工,必须研究其切削加工性能。EA4T车轴材料在高温、大应变、高应变率条件下的动态应力应变特征是进行有限元建模和切削仿真的基础,为此,使用分离式霍普金森压杆与微型霍普金森压杆实验系统进行了温度20-800℃、应变率1000-8000s-1范围内材料的动态力学特性测试。结果表明:EA4T车轴材料的最大真实应变可达50%,真实应力随温度的升高而明显减小,并且存在显著的温度软化作用;真实应力随应变率的升高先增大后减小,这是因为在低应变率时存在应变率强化作用、在高应变率时存在应变率软化作用。最后,通过对试验数据的参数拟合改进,建立了高精度的Johnson-Cook本构关系模型。

EA4T钢轴断裂失效及疲劳性能分析

针对EA4T钢电力机车车轴在精加工过程中发生断裂的现象,对其化学成分、力学性能、断口形态和显微组织等进行了相关分析和讨论;还对EA4T钢轴的高周疲劳性能进行了研究,获得了EA4T钢轴的S-N曲线;最后结合ANSYS软件对EA4T钢车轴的疲劳特性进行了分析。

高速重载列车车轴用钢EA4T的低温韧度

将经过高温系列回火的EA4T钢试样加工成夏比V型缺口冲击试样,通过低温系列冲击试验对EA4T钢的低温韧度进行了研究。结果表明,EA4T钢经880℃油淬,650℃回火后的冷脆转变温度为-97.37℃至-117.59℃,且在0℃至-80℃冲击时,其A_(KV)基本高于150 J,断口韧性断裂特征明显,表明EA4T钢具有良好的抗冷脆转变能力。

高铁用进口EA4T钢车轴的组织和力学性能

研究了高铁用进口EA4T钢车轴的显微组织和力学性能,分析了组织和力学性能的均匀性。结果表明:车轴中存在CaS、Al2O3及少量硅酸盐等非金属夹杂物,沿表面至心部夹杂物的数量增多;车轴不同位置的显微组织均为回火马氏体、贝氏体和少量先共析铁素体,自表面向心部先共析铁素体的尺寸增大、数量增多,组织不均匀;车轴的拉伸性能和硬度均满足标准要求,但心部因先共析铁素体含量较多,抗拉强度明显较低;车轴纵向存在带状组织,因此其横向冲击韧性较差;车轴试样的拉伸断口存在较多小而深的韧窝,说明其塑性良好,断裂方式为韧性断裂,而冲击断口存在明显的河流花样和韧窝,断裂方式为脆韧混合断裂。

300mm×300mm EA4T车轴钢坯生产工艺实践

EA4T车轴钢(/%:0.22～0.29C、0.15～0.40Si、0.50～0.80Mn、≤0.020P、≤0.015S、0.90～1.20Cr、0.15～0.30Mo、≤0.06V)采用30 t EBT电弧炉40 t LF/VD-5 t铸锭工艺生产,并经8 MN油压机锻成300 mm x300mm钢坯,锻造比≥9。结果表明,EA4T钢[O]为(12-15)×10^(-6),[H]为(1.2～1.6)×10^(-6),经900～920℃淬火,600～650℃回火后,抗拉强度R_m721~745 N/mm^2,屈服强度R_eh463～470 N/mm^2,伸长率A_5 19.0%～19.5%,纵向冲击功53～73 J,横向冲击功36～41 J,组织为贝氏体一回火马氏体,10~7循环疲劳极限为350 N/mm^2。

EA4T车轴钢中斑点状偏析的原因分析

采用宏观检验、化学成分分析、金相检验、工艺分析以及炉数统计等手段对EA4T车轴钢中存在斑点状偏析的原因进行了分析。结果表明:该斑点状偏析为合金成分正偏析,原料粒度、模温、钢液过热度以及钢锭锥度等冶炼参数不合理是主导因素。

EA4T车轴钢脉冲电流加热带状组织的消除

针对国产EA4T车轴钢存在的带状组织问题,采用脉冲电流加热方法对EA4T车轴钢试样进行试验,并按照热模拟整轴心部冷却曲线进行冷却。结果表明,通过电炉加热和脉冲电流加热的复合处理,可部分消除带状组织,先共析铁素体量明显减少,块尺寸细化,组织均匀性显著提高。