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。

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。

LZ50钢概率疲劳S-N曲线外推新方法

基于Basquin关系,提出了将中短寿命概率疲劳S N曲线合理外推到长寿命范围的疲劳极限参数法。要求外推曲线依概率平滑通过相应的概率疲劳极限点。通过对LZ50车轴钢试验数据分析,与现有直接法和2m-1指数法比较表明,本文提出的外推方法是合理的;无疲劳极限试验数据时,可采用2m-1指数法,不宜采用安全裕度过大的直接法。根据本文方法建立了LZ50钢概率疲劳外推曲线。

铁道车辆LZ50车轴钢的概率机械性能

完成了铁道车辆 LZ5 0车轴钢的概率机械性能试验研究 ,拓宽了确定有限疲劳可靠性数据良好假设分布的统一方法 ,比较了 6种常用分布 (即三参数 Weibull、两参数 Weibull、正态、对数正态、极大值和极小值分布 )对试验数据的描述效果 ,综合分析了他们的拟合优度、失效机理的一致性和尾部预测的安全性。从预测的安全性角度 ,选择了极小值分布为最佳统计模型 ,提出了给定可靠度和置信度下基于极小值分布的机械性能参数估计方法 ,并有效地估计了材料的概率机械性能参数。

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。

LZ50钢材料试样与车辆实轴的概率疲劳极限

采用小子样升降法,完成了LZ50钢7.5mm光滑圆棒、9.5mm光滑圆棒、9.5mm缺口(Kt=4.728)圆棒和车辆实轴4种试样的旋转弯曲疲劳试验。疲劳极限数据分别用常规法和经完善的局部随机BasquinSN关系法获得。基于疲劳极限服从正态分布,分别给出了用上述2种方法获得的4种试样的概率疲劳极限测定结果。结果表明常规法估计的疲劳极限数据偏于危险,宜采用局部随机BasquinSN关系法获取。

LZ50车轴钢随机S-N关系的概率模型

研究了LZ50 车轴钢疲劳Stress-Life(以下简称S-N)关系的概率模型。同时考虑了S-N 关系的分散性规律和样本数量对概率评价的影响,包括P(存活概率)-S-N 曲线、C(置信度)-S-N 曲线和P-C-S-N 曲线。这些曲线由称之为“广义极大似然法”的方法测定。方法考虑了整体试验S-N 数据的随机性,避免了常规方法从考虑局部数据随机性角度的缺陷。LZ50 车轴钢试验数据的分析结果,说明了模型和方法的合理性和有效性。

PROBABILISTIC MODELS FOR LONG FATIGUE CRACK GROWTH RATES OF LZ50 AXLE STEEL

Experimental study is performed on the probabilistic models for the long fatigue crack growth rates (da/dN) of LZ50 axle steel. An equation for crack growth rate was derived to consider the trend of stress intensity factor range going down to the threshold and the average stress effect. The probabilistic models were presented on the equation. They consist of the probabilistic da/dN-ΔK relations, the confidence-based da/dN-ΔK relations, and the probabilistic- and confidence-based da/dN-ΔK relations. Efforts were made respectively to characterize the effects of probabilistic assessments due to the scattering regularity of test data, the number of sampling, and both of them. These relations can provide wide selections for practice. Analysis on the test data of LZ50 steel indicates that the present models are available and feasible.

LZ50钢断裂韧度的合理统计模型

试验研究了LZ50车轴钢的断裂韧度的合理统计模型。结果表明,LZ50钢是一种偏脆性的材料,应当严格控制铁道车辆车轴的制造表面质量。同时证实了现有正态分布模型不能合理描述试验数据。为此,通过比较三参数Weibull、两参数Weibull、正态、对数正态、极小值和极大值6种常用统计分布对试验数据的拟合优度、数理一致性和尾部安全性,说明了极小值分布是良好统计模型。建立了断裂韧度的极小值概率测定方法,测定了典型存活概率和置信度下的材料断裂韧度值。

LZ50钢液中微量稀土脱氧及夹杂物生成机理研究

用真空感应炉在MgO坩埚中熔化2.5 kg的LZ50车轴钢,添加稀土(RE)元素后进行二次精炼,制备了微RE合金化后的试样。结合钢化学成分分析、SEM和EDS检测结果,计算并讨论了微量RE元素对LZ50钢中O、S等元素的影响。结果表明,微量RE(质量分数0.0026%)能降低低氧、低硫在LZ50钢中的O含量,对S含量却无明显影响;RE的脱氧产物为CeAlO3,且能把钢中带棱角的Al2O3-SiO2夹杂物变为圆球状SiO2-Al2O3-RE2O3复合夹杂物。

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°。

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。

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。

120 t转炉-LF+RH-TB生产LZ50车轴钢坯的化学成分和质量控制

本钢采用优质铁水预处理-120 t转炉冶炼、硅铝钡锶钙复合脱氧-钢包精炼喷Si-Ca粉+RH-TB真空脱气-5 t铸锭-轧制工艺生产230 mm×230 mm×1 350 mm LZ50轴坯钢.生产结果表明,由于控制C 0.47%～0.50%,Si 0.20%～0.35%,Mn 0.71%～0.85%,且钢中P、S≤0.02%,平均[H]=1.77×10-6,平均[O]=12.22×10-6,使轴坯钢具有良好的低倍组织和稳定的机械性能,产品质量达到TB/T2945-1999标准要求.

LZ50车轴钢在复合微动条件下的研究

微动疲劳损伤广泛存在于各种机械接触变载荷作用的构件上,如螺栓,轴承,键槽和榫槽等。微动疲劳会加速受微动作用构件的接触处表面及表层裂纹的萌生和扩展,在微动疲劳的早期阶段裂纹生长速率较高,导致了在微动条件下金属构件过早失效,大幅度降低构件寿命。本文以LZ50车轴钢为主要研究对象,实现了在圆形和椭圆形路径加载下的拉扭复合微动疲劳试验模拟,采用静拉伸的方法测试了材料的力学性能,在圆形和椭圆形路径加载下,LZ50钢微动疲劳表面磨屑的演变分为三个过程,轻度氧化——进一步氧化——高度氧化;LZ50钢在多轴非比例加载下的复合微动疲劳接触表面损伤可分为四个阶段,分别为表面膜去除阶段、表面直接接触阶段、形成第三体保护层阶段和动态平衡阶段;在圆形和椭圆形路径加载下,LZ50钢微动疲劳裂纹是在微动与未微动分界线上局部应力集中而萌生的,由于疲劳裂纹的扩展和连接而导致材料断裂。

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。