U71Mn钢轨在中性NaCl溶液中的初期腐蚀行为探析

为研究钢轨腐蚀行为与NaCl溶液浓度及腐蚀时间的关系,以U71Mn钢轨为对象,采用全浸试验和电化学测试方法探究了钢轨材料浸泡在1.0%、2.0%、2.5%、3.5%、4.0%和5.0%不同浓度的中性NaCl溶液中144 h及在中性3.5%NaCl溶液中浸泡12、48、96、144、192和288 h的初期腐蚀行为和机理。结果表明:初期钢轨材料的平均腐蚀速率与NaCl浓度和浸泡时间均呈正相关关系。随着NaCl浓度的增加,钢轨试样的E_(corr)从-0.651 V负向移动至-0.717 V,J_(corr)从5.71μA/cm_(2)增大至67.48μA/cm_(2);随着腐蚀时间的延长,钢轨试样的E_(corr)从-0.692 V负向移动至-0.720 V,J_(corr)从7.54μA/cm_(2)增大至74.59μA/cm_(2),其中腐蚀产物γ-FeOOH的还原会破坏原有稳定的锈层结构,最后造成腐蚀的加速。

THE STRAIN CYCLIC CHARACTERISTICS AND RATCHETING OF U71Mn RAIL STEEL UNDER UNIAXIAL LOADING

An experimental study was carried out of the cyclic behavior of U71Mn rail steel subjected to uniaxial strain and stress. The effects of cyclic struin amplitude, mean struin,strain loading rate and their histories on the strain cyclic characteristics were studied.Under the asymmetrical stress cycling, the effects of stress amplitude, mean stress,stress loading rate and their histories on the ratcheting were analyzed. The interaction between strain cycling and stress cycling was also discussed. It is shown that either the cyclic characteristics under strain cycling or the ratcheting under asymmetrical stress cycling depends not only on the cumnt loading state, but also on the previous loading history. Some significant results are obtained.

U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头显微组织性能研究

采用摩擦焊接方法研究U71Mn钢轨试样的焊接性,通过金相、硬度、拉伸、冲击等试验以及断口扫描与组织观察,研究了U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头的成分、组织和性能。结果表明:试样摩擦焊接接头成型良好,接头组织为母材区(BM)、热影响区(HAZ)、焊核区(WZ),不存在热机影响区(TMAZ);焊核区由马氏体组织组成,晶粒尺寸远低于母材晶粒尺寸,焊核区存在MnS夹杂物;热影响区比较窄发生了部分马氏体转变。摩擦焊接过程中形成的马氏体导致了焊缝区域硬度过高,从而降低了接头韧性。接头横截面成分分析表明焊接过程未发生脱碳、合金元素烧损等现象,未出现明显的成分偏析。接头力学性能和断口分析表明大量的马氏体和MnS夹杂物是导致焊接接头性能下降的主要因素。

载荷对D2车轮钢滑动磨损表层微观组织和性能影响

目的研究滑动磨损条件下,载荷变化对D2车轮钢表层微观组织和磨损性能的影响。方法利用MRH-30(环块)滑动摩擦磨损试验机进行滑动磨损试验。使用金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和场发射透射电镜(TEM)等设备,分析滑动磨损后表层微观组织、表面磨损形貌和硬度变化。结果不同载荷条件下,随着磨损时间的增加,轮轨试样磨损量逐渐增加。200 N载荷条件下,(环状)车轮试样的磨损量大于100 N车轮试样磨损量,但200 N钢轨(块状)试样的磨损量却低于100 N钢轨试样。滑动磨损后,在不同载荷条件下,车轮试样表面主要形成长条状白层和不连续的月牙状白层。在200 N载荷条件下,由于车轮试样的磨损量较高,其白层厚度和表面白层硬度都小于100 N载荷条件下的车轮试样。在200 N载荷条件下,车轮试样表面更易形成不连续的月牙状白层。由于轮轨试样表面存在微凸体,高载荷会加速车轮试样表面局部微凸体发生严重塑性变形,导致月牙状白层的形成。在白层内片状渗碳体发生明显溶解和铁素体晶粒显著细化。结论车轮表面白层对磨损性能有明显影响。滑动磨损过程中,高载荷条件下,月牙状白层和周边微观组织界面易形成裂纹,裂纹会逐渐沿着界面向内部扩展,导致不连续月牙状白层发生剥落,降低车轮试样表面的硬度,加速车轮试样磨损。另一方面,高载荷会加速无白层区域塑性变形,导致其形成棘轮失效,从而加速磨损。

U71Mn重轨全轧制过程孔型填充情况的有限元研究

利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了U71Mn钢60 kg/m重轨BD1、BD2机组和万能连轧机组有限元模型,分析了U71Mn钢60 kg/m重轨在整个轧制过程断面金属流动规律及孔型填充情况。这能为重轨孔型设计提供理论依据。

PD3和U71Mn钢轨钢疲劳裂纹扩展速率研究

利用MTS试验机,在常温下对两种钢轨PD3和U71Mn进行疲劳裂纹扩展速率试验研究,根据Paris公式确定两种钢轨的疲劳裂纹扩展速率,利用极大似然估计法计算带有一个随机变量描述的疲劳裂纹扩展速率的概率方程。结果表明,裂纹扩展速率曲线符合一般疲劳裂纹扩展规律;PD3的强度性能优于U71Mn,但U71Mn表现出更好的抗疲劳裂纹扩展性能,扩展速率低于PD3钢轨;疲劳裂纹扩展速率的不确定性方程与试验结果相符。

基于ANSYS的U71Mn重轨感应加热温度场数值模拟

利用有限元分析软件对U71Mn重轨感应过程中的温度场分布进行了数值模拟,得到了随时间变化的重轨截面温度分布图,并分析了感应加热整个温升过程的特点。结果表明:通过调整重轨移动速度、加热装置的频率、线圈宽度等工艺参数,可以使重轨连续通过感应加热器的情况下保证轨头升温到相变温度,对U71Mn重轨感应加热工艺的运用和改进具有一定的指导意义。

服役U71Mn钢轨疲劳裂纹萌生及扩展分析

采用HV-1000型显微维氏硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等手段,研究了服役后U71Mn钢轨表层力学性能、轨距角处的显微组织以及裂纹萌生和扩展机理.结果表明:钢轨表层轨距角处的硬化程度最严重,并且该区域沿列车运行方向呈现出较为严重的剪切塑性变形,裂纹容易在该处萌生.钢轨轨距角处的裂纹萌生受到表层切应力分布状态、表面摩擦因数以及表层夹杂物等的综合影响,钢轨表层受到循环应力的反复作用,在加工硬化的作用下材料局部发生硬化,塑韧性降低,另外钢轨表层有大量长条状的MnS夹杂物,这些因素都极大地促进了疲劳裂纹的萌生.轨距角处的裂纹沿着钢轨表层剪切塑性变形的方向扩展,主要方式是穿晶扩展,裂纹间隙中较多的氧化物对裂纹扩展有较大的促进作用.

基于ANSYS的U71Mn重轨轨头淬火组织场的数值模拟

利用有限元分析软件对U71Mn重轨轨头喷水冷却过程进行数值模拟,拟合出轨头各部分温降速度曲线,并根据求得的轨头各部位实际冷却速度与各组织极限冷却速度对比结果,成功预测了轨头在该参数下喷水冷却得到的组织,对重轨轨头淬火时相关参数的选择具有一定的指导意义。

U71Mn钢轨闪光焊焊后火焰正火与感应正火接头性能对比

通过对U71Mn闪光焊经火焰正火和感应正火处理后的接头进行拉伸、冲击及硬度试验,对比两种正火方式对上述性能的影响。研究认为感应正火更有利于提高U71Mn钢轨闪光焊焊后接头性能。

U71Mn重轨淬火温度场及其影响因素研究

利用有限元分析软件对U71Mn重轨淬火过程中的温度场分布进行数值模拟,并通过不同的数据加载对各种可能影响温度场分布的因素进行研究。结果表明,准确选择淬火时加热、保温时间和风冷时的压强,能显著提高重轨的最终性能,对U71Mn重轨热处理中相关参数的选择具有重要的指导意义。

4种成分车轮钢与U71Mn钢轨钢间的磨损行为

在轮轨磨损试验机上研究了热轧U71Mn钢轨钢和4种成分车轮钢间的摩擦磨损行为,分析了车轮钢化学成分、硬度对磨损行为及磨损机制的影响。结果表明:随着碳元素含量的提高,车轮钢显微组织中先共析铁素体含量显著减少,珠光体晶粒尺寸增大,珠光体中的渗碳体片层变厚,车轮钢的硬度也逐渐增大;随着车轮钢硬度的增大,车轮钢磨损量减少,其主要磨损机制由磨粒磨损和浅层剥层磨损向深层剥层磨损转变,钢轨钢磨损量增加,其主要磨损机制为浅层剥层磨损。

U71Mn重轨BD1可逆轧制过程的有限元分析

利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件对60 kg/m U71Mn重轨生产从铸坯出炉—高压水除鳞—BD1开坯直至BD2入口整个过程进行数值模拟。采用平/立交替代替道次翻钢的方式,保证了BD1可逆轧机数据的精确传递。分析了轧件在各道次变形区及轧后稳定断面处等效应力、等效应变的分布情况,得到了U71Mn重轨钢表面温降曲线及轧制压力曲线。结果表明:轧件表层与心部的应力、应变分布存在差异;稳定截面处第5道次侧面应力最大72.1MPa,且断面应变比较均匀;温度和轧制力计算结果与实测值吻合良好。

U71Mn钢轨闪光焊对接接头断裂原因分析

随着列车行车速度的提高,钢轨的损坏由过去的磨损转变为各种形式的疲劳损坏,而夹杂物往往被视为显微裂纹的发源地,疲劳裂纹与夹杂物的存在关系密切。非金属夹杂物降低了钢轨的塑性、韧性和疲劳寿命。夹杂物对钢轨疲劳性能影响的具体程度取决于一系列因素,如夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布等。应用肉眼观察、光镜、电镜和能谱分析等方法从宏观和微观两个方面分析成昆线闪光对焊U71Mn钢轨断件的断裂原因。结果表明,本钢轨断件的破坏是由于疲劳裂纹扩展引起的横向断裂,即钢轨核伤;而疲劳裂纹是由闪光焊后残留在焊缝中的硅酸盐非金属夹杂物引起的。

U71Mn钢重轨轧制全过程中轧件温度场的有限元模拟

采用抽取中间截面网格拉伸的建模方法,同时根据前后节点的位置对应关系加载温度数据,对U71Mn钢重轨轧制全过程中轧件的温度场进行了三维热力耦合有限元模拟;另外,利用红外线测温仪对不同阶段轧件表层的温度进行在线测量,并与模拟结果进行对比。结果表明:形状不规则的重轨截面使得其横截面在轧制过程中的温度分布十分复杂;随着轧制的进行,轧件表面尤其是圆角处温度下降剧烈,心部温度先升高后下降,最终在轨底和轨头的心部形成两个高温区;温度的测量结果与模拟结果比较吻合,验证了有限元模型的有效性。

U71Mn 75 kg/m 重型钢轨的性能研究

研究了U71Mn75kg/m重型钢轨钢的等温转变曲线及连续冷却曲线,发现将冷却速度控制在8～2℃/s之间,可获得强度高、耐磨性好的珠光体;通过与U7460kg/m钢轨的对比试验可知,在二者实物疲劳强度相近的情况下,U71Mn75kg/m重型钢轨的承载能力是U7460kg/m钢轨的1.3倍,在同样的冲击能量下,前者所承受的冲击次数高于后者。

U71Mn重轨轨头淬火应力场及其影响因素研究

利用有限元分析软件对U71Mn重轨轨头淬火过程中的应力场进行数值模拟,并对影响其分布的各种因素进行研究。结果表明,准确选择淬火时加热、保温时间和风冷时的压强,能显著降低轨头的淬火应力,对U71Mn重轨轨头热处理中相关参数的选择具有重要的指导意义。

包钢U71Mn钢轨Mn含量优化研究

为改善产品质量,加强高速钢轨质量监控,对U71Mn钢轨化学成分进行优化,降低钢中Mn含量,同时控制轧制工艺,在U71Mn 60N、60 kg/m、50 kg/m、QU120、QU100、QU80等全系列断面进行试制。结果表明:Mn含量优化后U71Mn钢轨性能与优化前U71Mn钢轨比较,U71Mn钢轨抗拉强度较优化前降低7.2 MPa,均值达到950 MPa,踏面硬度降低2.8,均值达到269.2,延伸率基本不变,获得理想的珠光体组织,钢轨性能均能满足标准要求,并且具有足够富余量,取得了较好的效果。

磨损对U71Mn材料表面高温氧化行为的影响

目的研究U71Mn钢轨材料磨损后的高温氧化行为,探讨高温和磨损对钢轨表面损伤的影响机制。方法用磨损试验机对材料进行磨损试验,将磨损不同程度的材料在加热炉中进行氧化实验,用带能谱的扫描电镜对材料界面进行表征,用XRD对氧化物相进行分析,研究磨损对U71Mn钢轨材料表面高温氧化性能的影响。结果磨损量随载荷增加而变大。在800、900℃保温5h后,未磨损材料比磨损材料质量增加明显。这是因为磨损材料表面产生划痕裂纹,空气中的氧在裂纹尖端快速吸附,扩散到裂纹尖端的基体中,生成氧化物,降低了裂纹前沿原子键结合能,造成材料表面大面积脱落。在900℃,未磨损U71Mn材料高温加热后,表面氧化膜主要为Fe_(2)O_(3),500 N磨损材料高温氧化膜主要成分为FeO和Fe_(3)O_(4)相,1000 N磨损材料氧化膜主要成分为Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4)相。结论未磨损U71Mn钢轨材料的耐高温氧化性能明显优于磨损材料。磨损会加速材料高温损伤,且具有一定的方向性。轮轨摩擦划痕严重影响高温氧化膜的相结构和附着力,从而影响钢轨的使用寿命。

热处理U71Mn钢轨钢的棘轮行为及其本构模型

通过单轴拉伸试验、对称应变循环疲劳试验和非对称应力循环疲劳试验,研究了热处理U71Mn钢轨钢的循环特征和棘轮行为;基于试验结果,对Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型进行修正,并将模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:试验钢表现出初始循环软化特性;在非对称应力循环载荷下,试验钢产生了明显的棘轮行为,棘轮应变随应力幅、平均应力和峰值应力的增加而增加,棘轮应变率随峰值应力的增加而增加,当峰值应力不超过950MPa时,棘轮应变率随循环周次的增加快速减小至稳定值,当峰值应力超过950MPa时,棘轮应变率先减小后增大;大多数工况下采用所建立的修正Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型得到的棘轮应变与试验值的平均相对误差约为9.8%,说明该模型能够较好地预测热处理U71Mn钢轨钢在应力循环工况下的棘轮行为。