U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究

针对我国重载铁路和地铁用钢在实际服役过程中的全寿命棘轮行为,开展U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究。首先通过不同平均应力和不同应力幅值的循环实验,研究U75V钢轨钢在室温下的全寿命棘轮行为;然后基于损伤力学和循环塑性框架,采用损伤修正的Chaboche随动硬化模型,引入指数型损伤演化律,建立耦合损伤的循环塑性本构模型;最后针对材料的失效模式,建立基于损伤临界值的疲劳失效判据,预测失效寿命。研究结果表明,模拟循环稳定时的棘轮应变率误差小于22.0%,失效时的棘轮应变误差小于38.0%;预测U75V钢轨钢的低周疲劳寿命均在1.5倍误差带内。总的来说,该耦合损伤循环塑性本构模型能描述U75V钢轨钢在非对称单轴应力循环下的全寿命棘轮行为。

百米U75V钢轨在线热处理工艺优化

百米U75V钢轨是我国铁路建设的主型钢轨,在线热处理是其主要强韧化手段,纵向(长度方向)性能均匀性差和生产效率低是其热处理生产存在的主要问题。百米U75V钢轨的在线热处理过程分为2个冷却阶段,共包含4个冷却工艺参数:开淬温度(T_(i))、相变阶段冷却速度(V_(s))、相变冷却结束温度(T_(f))以及相变后冷却速度(V_(a))。通过热模拟试验研究了各参数对百米U75V钢轨组织和性能的影响。随着工艺参数的变化,珠光体片层间距(S)在100.7~209.1 nm范围内变化;T_(i)和V_(s)对S具有特别显著影响,T_(f)和V_(a)对S没有显著影响;T_(i)不一致是百米U75V钢轨纵向性能不均匀的主要原因之一。采用“先慢后快”的两段式冷却方案,即在轧后钢轨表面温度冷却至相变终冷温度(约500℃)之前,以接近但不超过珠光体转变临界冷却速率的速度进行冷却,之后提高冷却速度(不超过10℃/s),有利于同时提高生产效率和百米U75V钢轨纵向性能的均匀性。

U75V钢轨自然空冷过程的温度及固态相变特性

在线热处理是百米U75V钢轨的主要强韧化手段。热处理过程中会出现由于钢轨纵向(长度方向)不同位置进入热处理机组前所经历的自然空冷时间不同而导致纵向开淬温度不一致的问题。开淬温度是影响百米钢轨纵向性能均匀性的重要因素。研究了U75V钢轨轧后自然空冷过程的温度和固态相变特性。按目前生产流程,钢轨轧制和热处理工艺间的时间间隔应小于238 s。生产时采用对轧后钢轨的后端适当补热以及缩短轧制和热处理的时间间隔等方法来减小钢轨纵向开淬温差,有利于提高百米钢轨纵向性能均匀性。

U75V轨道钢中片状珠光体的相场模拟研究

为了深入了解片层状珠光体的生长情况,借助相场法并结合COMSOL软件,对U75V轨道钢进行了微观组织模拟,探讨了冷却速度对珠光体片层间距的影响,并与U75V钢的实际组织进行了对比分析。结果表明,在0.8℃/s和2.3℃/s两种冷却速度下,由相场法模拟得到的片状珠光体的片层平均间距分别为0.24μm和0.18μm。此外,与U75V钢实际微观组织进行对比分析,发现相场法仿真结果与实测值基本一致,表明建立的相场模型以及选用的物性参数符合实际情况。

U75V钢轨轨头核伤原因分析

将核伤U75V钢轨伤损处打开,采用宏观形貌观察、断口微观形貌观察、金相组织观察、材料理化性能检测等手段,综合分析其核伤产生原因。结果表明:该钢轨的伤损类型为起源于轨头内部的纵横裂型核伤;导致钢轨产生纵横裂核伤的主要原因为轨距角轮轨接触应力影响区内,存在沿钢轨轧制方向分布的粗大非金属夹杂物,在轮轨接触应力和动弯应力作用下,疲劳裂纹以非金属夹杂物为源开始萌生并先沿纵向后转为横向扩展。通过提高钢轨的纯净度,加强冶金质量的控制和检验,减少和细化钢中非金属夹杂物的数量和尺寸,可以有效减少此类纵横裂型核伤的产生。同时通过适当改善现有的常规探伤检测方式,增加纵向裂纹检测手段,可以在核伤形成的早期发现并及时处理。

U75V钢轨闪光焊工艺研究

介绍了钢轨连续和脉动闪光焊接工艺。脉动闪光工艺的有效热输入大,有利于降低落锤断口灰斑,适合焊接U75V钢轨。为获得有效加热,脉动闪光工艺参数必须根据加热钢轨接触电阻变化,对焊接参数分多段进行独立调节,确保不发生长时间短路或快速烧化。

U75V钢轨交流闪光焊工艺优化

对U75V合金钢轨交流闪光焊焊接质量影响较大的13个焊接工艺参数,采用正交设计的方法设计了焊接工艺试验,根据正交试验结果分析了主要工艺参数与焊接质量之间的关系.得出了U75V合金钢轨的最佳焊接工艺和影响焊接质量的主要因素,其中送进速度是最重要的影响因素.优化的焊接工艺通过了钢轨焊接的落锤试验,并已应用于钢轨的焊接生产.

U75V钢轨断件断裂原因分析

随着铁路运输的高速化和重载化,钢轨的伤损日趋严重,传统钢轨损坏形式主要有钢轨局部的磨耗、机车轮空转打滑所产生的踏面擦伤、轨端淬火层的剥落等,列车通过时巨大的冲击载荷易促使这些损伤部位裂纹发展形成轨头横向疲劳裂纹,将降低线路质量,影响行车安全。针对成都焊轨段闪光焊U75V钢轨断件,从宏观和微观两个方面分析其产生断裂的原因,研究钢轨中夹杂物如硫化物、硅酸盐、Al2O3等对钢轨产生断裂的影响。研究表明:本钢轨断件的破坏是由于疲劳裂纹扩展引起的断裂,即钢轨核伤;而疲劳裂纹是由氧化铝及钙铝酸盐非金属夹杂物引起。

U75V钢轨TTT曲线、CCT曲线及感应热处理的显微组织分析

简要分析了U75V钢轨的感应热处理原理,讨论了U75V钢轨的TTT曲线和CCT曲线,分析了一些典型的异常显微组织和产生机理,提出了其感应热处理的冷却速度范围。

U75V高速轨钢脱碳的影响因素分析

在不同炉内气氛、加热温度、停留时间以及是否采用保护涂料等条件下,对U75V高速轨钢脱碳的影响因素进行分析。结果表明,正常轧制时,应尽量避免预热段为氧化性气氛,在预热段空气消耗系数为1.2、均热段空气消耗系数为0.8时,钢坯的脱碳层深度最浅;采用保护涂料方式可使钢坯氧化烧损量减少20%～30%,脱碳层深度减少29.7%。

U75V 60kg/m重轨欠速冷却后的组织及性能

U75V 60kg/m重轨试样加热至900℃,模拟重轨万能轧制成品道次出口温度;随后,空冷25 s,模拟重轨从成品道次出口至冷床的温降;最后,将试样放入喷风通道对轨头表面和两个侧面进行欠速冷却.通过实验获得了U75V 60kg/m重轨最佳冷却工艺参数:喷嘴离轨头表面距离15mm,喷风压力0.26MPa,喷风时间80 s,风温28℃.在此欠速冷却条件下,轨头硬化层为对称帽形,轨头中心部位硬化层厚度大于24mm;组织为细珠光体,其平均片层间距比冷却前减小约50 nm;在轨头上圆角部位强度大于1 300 MPa,延伸率大于13%,分别比冷却前提高20%和60%以上.

U75V钢轨闪光焊焊后火焰正火与感应正火接头性能对比

随着铁路运输的发展,为满足提速和重载的需要,铁路线路应进行无缝化。目前我国铁路无缝线路用钢轨以U71Mn和U75V2种为主,其中U75V由于其强度较高,耐磨性较好,广泛应用于客货混行线路。我国钢轨的无缝化最主要的手段是对定尺轨进行闪光焊接,焊后进行正火处理,正火处理主要采用感应正火或火焰正火2种方式。本文通过对U75V钢轨闪光焊后采用不同正火方法处理后的接头,进行拉伸、冲击及硬度试验,对比2种正火方式对钢轨接头上述性能的影响。

奥-贝合金钢道岔与U75V钢轨闪光对焊接头组织与性能分析

用闪光对焊方法焊接了奥—贝合金钢道岔与U75V钢轨的异种钢接头。对接头的微观组织、显微硬度、冲击吸收功、抗拉强度、疲劳性能进行了试验,分析了正火处理对接头硬度、强度和冲击吸收功的影响。结果表明,奥—贝氏体合金钢道岔与U75V钢轨焊接接头经过900℃±20℃正火处理后明显改善接头的硬度分布;接头的抗拉强度和冲击吸收功也得到了很大提高;焊缝及热影响区的晶粒细化且分布比较均匀,因而具有优良的综合力学性能。

轧制变形对U75V重轨钢珠光体片层间距的影响

U75V重轨钢铸坯尺寸为280 mm×380 mm,重轨轧材经14道次粗轧(BD1)、中轧(BD2)和CCS 6道次精轧(UR_1、ER、UR_2、UR_3、EF、UF)而成。用扫描电镜测量了重轨钢各道次珠光体片层间距。结果表明,随重轨钢BD1E、BD2B、UR和UF道次变形量(面积压缩比)增加,重轨头部、腰部、底部和腿部的珠光体组织片层间距分别由0.512,0.414,0.493,0.452μm降至0.293,0.269,0.253,0.229μm,从而明显地提高重轨的力学性能。

百米U75V钢轨矫直前冷却过程温度场的有限元分析

通过研究U75V钢轨冷却过程的热边界条件,采用三维瞬态非线性有限元法计算了百米钢轨矫直前845～150℃冷却过程的温度场。结果表明,在冷却过程中的钢轨横截面不同位置的温度下降速率不同,在冷却初期(200～2 000s),每条冷却温度线都出现一个温度降低缓和的"平台"阶段,如轨底边部冷却速度最快,开始相变时间最早;在冷却2 500～3 000s时,轨头、轨腰、轨底中心的温度迅速下降,轨头与轨底边部的温差约5℃,在冷却5 000～7 000s时,各部位温差趋于一致;计算温度值和现场实测值差别小于50℃。

百米U75V钢轨矫直前冷却过程弯曲变形的有限元分析

通过研究百米钢轨冷却的边界条件,采用三维瞬态非线性有限元法计算分析了百米U75V平直钢轨矫直前冷却过程中的弯曲变形变化规律。结果表明,平直钢轨在冷却过程中的弯曲变形是一个循环反复的过程,但钢轨最终是弯向轨头的;在考虑钢轨与冷床摩擦作用的情况下,平直钢轨终冷后,其变形特点是中间平直、两端弯曲,端部弯曲范围约为18 m。

插销法研究自保护焊U75V钢轨的冷裂敏感性

采用插销试验法研究了JDHS-38#自保护药芯焊丝焊接U75V钢轨的冷裂敏感性,评估了预热温度、线能量、焊道数3个因素对U75V钢轨临界断裂应力的影响.结果表明,现场对钢轨施焊时,采取250℃的预热温度,14 kJ/cm左右的线能量,双层焊等措施可以使钢轨接头热影响区少产生甚至不产生焊接冷裂纹,使其临界断裂应力达646 MPa,与抗拉强度相当.若采用其他工艺参数,临界断裂应力较低,且当拘束拉伸应力高于抗拉强度时,于热影响区发生氢致断裂.焊接接头过热区组织主要为马氏体、贝氏体,断口显微形貌主要为河流花样、泥状花样及爪状花样.

U75V钢60AT钢轨轧后空冷过程弯曲变形的演变

通过Gleeble-3500热模拟试验机测定了U75V钢(/%:0.75C,0.63Si,0.95Mn,0.025P,0.004S,0.26Cr,0.05V)的CCT相变曲线,利用DEFORM-3D有限元软件,通过建立60AT钢轨轧后空冷过程中温度场、组织转变计算模型,研究分析了60AT钢轨150~700 s轧后空冷过程中温度、组织对弯曲变形的影响。结果表明,60AT钢轨具有的大体表比轨腰对钢轨整体断面温度分布影响较大,钢轨空冷150 s时,60AT钢轨断面上还未发生相变,组织全部为奥氏体,随着温度的降低,空冷650 s时,钢轨断面基本上珠光体转变量为97.2%,同时,弯曲变形受组织转变影响较大,终冷时,钢轨在Y方向(侧弯)弯曲挠度-0.07 mm,即弯向轨底短边,在Z方向(正弯)弯曲挠度为0.228 mm,即弯向轨头,计算结果为钢轨矫直过程中的预弯提供参考。

稀土Ce对热轧U75V钢轨低温韧性的影响

在实验室进行了不同稀土Ce含量的热轧态U75V钢轨冶炼及轧制,重点针对轧后钢轨低温冲击性能、低温断裂韧性进行对比分析。试验结果表明,热轧态U75V钢轨加入0.0056%稀土Ce后,钢轨常温冲击韧性可提高30%左右,-60℃低温冲击韧性可提高60%左右;钢轨-20℃KIC平均值提高14%左右,钢轨-60℃KIC平均值提高15%左右,稀土Ce的加入进一步提升了热轧态U75V钢轨低温韧性。

包钢百米75 kg/m U75V在线热处理钢轨研发

文章介绍了包钢采用280 mm×380 mm铸坯断面生产百米75 kg/m U75V在线热处理钢轨的生产工艺概况,通过炼钢厂连铸出坯设备改进和轨梁厂余热淬火生产线调试,成功完成百米75 kg/m U75V在线热处理钢轨的工业生产,钢轨各项性能检验满足TB/T 2344-2012标准要求。