温度对高速车轮钢断裂韧性的影响

针对高速车轮钢低温环境下服役安全评价的需求,按照试验规范,在20,0,-20,-40,-60和-80℃下,分别进行标准圆棒拉伸试样的拉伸试验、紧凑拉伸(CT)试样的断裂韧性试验和Charpy-V型缺口冲击试样的冲击韧性试验,分析温度影响高速车轮钢断裂韧性的机理,研究高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的规律。结果表明:20^-80℃下,高速车轮钢的断裂韧性和冲击韧性处于韧—脆转变区,且随温度的降低而降低;随着温度的降低,由于车轮钢屈服应力升高,CT试样的裂纹尖端由塑性形变强化而导致的解理起裂逐渐变为直接解理起裂;采用Master Curve法预测高速车轮钢的断裂韧性时,适用的最低温度仅为-14.4℃,不能满足高速车轮钢的实际服役环境温度(最低-40℃)需要;根据高速车轮钢的断裂韧性随温度降低基本呈线性下降的趋势,给出了室温(25℃)至-80℃温度范围内高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的线性拟合关系式,以满足利用室温断裂韧性预测高速车轮钢低温断裂韧性的需要。

低温下高速车轮材料滚动磨损与疲劳损伤行为

利用低温环境轮轨磨损模拟试验装置,研究了高速铁路车轮材料在室温及低温环境下的滚动接触疲劳损伤行为。结果表明:低湿度的低温环境导致车轮材料磨损率、塑性变形及疲劳损伤较室温下明显加重。随试验温度的降低,轮轨摩擦因数、磨损率及表面硬度均呈现先急剧上升后轻微下降趋势。室温工况下磨痕表面有严重的犁沟现象,而低温工况下车轮试样表面以疲劳裂纹及剥落损伤为主。随着温度的降低,磨损形式由氧化磨损、磨粒磨损逐渐向疲劳及粘着磨损转变。车轮材料裂纹主要沿较软的铁素体线扩展,室温下剖面损伤较轻微。低温工况下由于车轮材料发生脆化,珠光体呈现不同于室温下的形貌及分布特性。在低温下,表层裂纹扩展角度及次表层裂纹长度增加,同时表层裂纹易于汇合并产生分支。

合金含量对高速车轮材料滚动接触磨损性能的影响

将2种含碳量相同合金含量不同的高速车轮材料分别与钢轨材料匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试了各摩擦副的摩擦系数和磨损率,比较研究了组织、硬度和加工硬化等因素对车轮材料滚动接触磨损性能的影响.结果表明:在传统的高速车轮材料中适当地增加Si、Mn的含量,降低Cr的含量可以提高车轮材料的抗磨损性能;硬度高的车轮材料未必耐磨,组织差异对车轮材料的抗磨损性能影响显著;表面裂纹易萌生于高度变形的先共析铁素体组织;加工硬化引起的硬度增加对材料的抗磨损性能影响不大.

温度及应变速率对高速车轮钢形变行为的影响

为高速车轮服役性能评价及失效分析提供依据,在-60~400℃温度及6.67×10-4~3 782s-1应变速率范围内对高速车轮钢进行拉伸及压缩试验,测量其屈服应力、抗拉强度、断面收缩率、伸长率、应变硬化指数、应变硬化系数等材料力学参量,研究材料力学参量随温度和应变速率的变化。结果表明：在试验范围内高速车轮钢的屈服应力、抗拉强度随应变速率常用对数的升高而线性增加,随温度的升高而基本呈线性降低;屈服应力在试验温度上升范围内下降了225 MPa,在试验应变速率增加范围内上升了270 MPa,而断面收缩率和伸长率则随温度的升高而增加、随应变速率的增加而略有降低;应变硬化指数基本不随温度的变化而变化,但随加载速率的增加而降低;应变硬化系数随温度和应变速率的增加而降低;温度及加载速率对高速车轮钢材料塑性本构关系的定量影响可通过包含温度和应变速率参数的Hollomon方程描述。

高速车轮钢表面激光熔覆铁基合金涂层的摩擦磨损性能

为了探究激光熔覆对高速车轮钢合金涂层摩擦与磨损性能的影响,利用LDM2500-60型半导体全固态激光器在高速车轮钢表面激光熔覆制备Fe基合金涂层。分别采用金相显微镜、能量色散X射线光谱仪、X射线衍射仪(XRD)分析了熔覆涂层的组织结构、元素分布以及物相,利用MM-2000高速摩擦试验机研究了高速车轮材料激光熔覆处理前后轮轨材料的摩擦磨损性能。结果表明:激光熔覆处理能有效改善车轮材料的抗磨损性能,熔覆涂层主要由γ-Fe、Cr7C3碳化物以及含铁固溶体等物相组成,涂层组织主要以树枝晶和共晶为主;车轮合金涂层的磨损速率相比基体材料降低了51%左右,车轮熔覆铁基合金后的轮轨磨损机制主要表现为轻微的磨粒磨损和氧化磨损。

D2高速车轮钢在滑动磨损下的白层形成与剥落

通过对不同转数滑动磨损后的D2高速车轮钢进行表面形貌和微观组织观察与分析,研究白层形成、发展与剥落过程以及他们之间的联系.结果表明:随着滑动磨损转数的增加,试块表面磨损方式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损,同时在磨损表面形成纳米晶白层.该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成,其形成机制属于塑性变形机制.从横截面角度观察,白层的形成过程主要分为五个阶段:1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层,铁素体发生细化;2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层,渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状;3)犁沟内形成厚度小于1μm的白层,其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒;4)犁沟内白层增厚成月牙形;5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接,厚度可达10μm.白层剥落过程如下:主要在脊缘处产生裂纹源,表面裂纹沿着与摩擦力成30°~45°方向向犁沟内扩展并交汇,在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展,最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落.

基于Semi-Markov链的高速车轮缺陷退化模型

为了给高速车轮的维修决策提供科学的理论支持,提出了一种基于Semi-Markov链的高速车轮退化模型并研究得到车轮4个关键部位的缺陷退化规律。首先,对超声探伤获得的缺陷数据进行统计分析,提出分部位的多状态模型,再选择合适的随机分布并估算出分布参数;然后将各部位模型合并建立一个整车轮的缺陷退化模型;最后,采用MATLAB编程计算得到整个车轮的一系列随走行里程变化的超限概率值。结果表明,当前针对动车组轮对实行的超声波探伤检测周期的设定非常合理。

高速车轮的冶炼及浇铸技术探讨

本文综合论述了高速车轮世界发展情况。重点阐述了高速车轮用钢、冶炼、浇注技术以及高速车轮用钢目前存在的主要问题。结合马钢车轮钢生产现状及公司冶炼、精炼、浇注、轧制工艺及今后的发展，提出了两条可行性的冶炼及精炼、浇注工艺方案。

马钢加速推进高速车轮国产化

本刊讯马钢高速动车组车轮试制技术条件近日通过铁道部评审，中国高速车轮由此向国产化又迈进一步。近年来，马钢在积极开拓国内外车轮轮箍产品市场的同时，加速推进高速车轮国产化进程，力争为中国高铁脱去“洋鞋子”。

含钒高速车轮钢第二相析出的热力学研究

利用热力学软件Thermo-calc计算了含钒高速铁路车轮钢中第二相的析出行为,详细分析了低碳车轮钢中平衡相的组成以及温度和钒含量对第二相析出的影响。结果表明,钢中钒含量的变化对车轮钢中第二相析出量有较大影响,对第二相析出的温度几乎无影响;温度变化对钢中稳定存在的第二相析出产物影响较小,对瞬态析出相的影响较大。

S含量对高速车轮钢性能和夹杂物的影响

研究了S含量对高速车轮钢性能和夹杂物的影响.借助扫描电镜（SEM）对车轮钢中MnS,Al2O3等夹杂物进行了观察和统计分析,结果表明：随着S质量分数的增加（0.002％～0.014％）,车轮钢的强度基本保持同一水平但冲击韧性先增加后降低,在S质量分数为0.011％时韧性最优.其原因在于S含量的增加可以有效地促进塑性较好的MnS对硬性的Al2O3相的包裹,从而改善钢的韧性；但S含量过度增加则导致MnS量过多,反而对韧性不利.

中国高速车轮产品质量性能研发应用进展

介绍了自20世纪90年代中国铁路大提速至今天＂复兴号＂中国标准动车组投入运营,马钢为满足中国高速铁路的发展,针对高速车轮产品服役过程出现的问题及质量要求,在高速车轮成分自主设计、非金属夹杂物控制、制造工艺等开展的一系列研究工作,试制的车轮实物质量优于进口产品,并通过装车运用对其服役性能进行综合评价,最终形成了从产品研究到推广应用的系统研发闭环,支撑了中国客运时速由最初不到80 km/h发展至350 km/h以上,实现了高速车轮技术自主化、产品国产化,同时对马钢下一步高速车轮产品品种开发及市场开拓等工作进行了展望。

热处理对高速车轮组织和断裂韧性的影响

以ER8车轮钢为对象,采用预处理+终处理方法改善车轮组织状态,并分析了工艺参数对晶粒尺寸及分布的影响。结果表明:经过870℃×1.5 h预处理+840℃×1.5 h终处理,晶粒平均尺寸及分布均匀性明显改善,断裂韧性得到显著提高;在保温1.5 h的终处理中,900℃时异常晶粒快速长大,平均晶粒尺寸出现局部峰值;随着初始组织均匀性的提高,异常晶粒尺寸与正常晶粒尺寸相对差(RD)达到峰值的温度有提高趋势。

考虑车轮材料空洞的高速轮轨接触应力分析

针对高速车辆车轮材料的空洞现象,利用弹塑性有限元方法,建立了车轮材料含有空洞的轮轨接触三维数值模型。模型中采用了非线性的车轮材料本构关系,计算分析了空洞大小、位置和轮重对车轮材料应力应变分布的影响。计算结果表明:轮轨接触作用下,空洞附近车轮材料易出现塑性变形和应力集中现象,且在160°和340°的空洞附近应力和应变值最大;在小于1 mm范围,空洞直径为0.1 mm时车轮材料最易萌生裂纹;当空洞离踏面距离小于15 mm,空洞离踏面距离对车轮疲劳萌生影响明显;随着轮重增加,其空洞附近车轮材料应力应变会随着增大。

高速列车车轮用R73圆坯冶炼工艺

介绍了高速车轮用R73圆坯的冶炼工艺及控制要点。

原始组织对高速车轮钢滚滑接触疲劳磨损性能的影响

采用滚滑接触疲劳磨损试验和纳米压痕试验以及光学显微镜、扫描电镜等研究了两种不同原始组织高速车轮钢的滚滑接触疲劳磨损行为。结果表明:无碳化物贝氏体车轮钢比珠光体车轮钢具有更好的耐磨性。两种钢经磨损试验后,表层组织发生演变并在表面产生白层组织。珠光体钢白层区域弹性模量低,塑韧性差,白层易剥落降低耐磨性;无碳化物贝氏体钢次表层变形区的塑韧性较好,阻碍其表面裂纹向内扩展,提高了耐磨性。

高速车轮钢包裹类非金属夹杂物研究

为评估高速车轮钢中包裹类夹杂物的包裹状态,利用扫描电镜和ASPEX型自动扫描电镜对高速车轮钢中核壳结构包裹类非金属夹杂物进行分析研究,包括核壳结构包裹类非金属夹杂物形貌、成分,包括核和壳、包裹类夹杂物和基体界面的成分,统计分析了核和壳的尺寸。研究表明,核壳结构包裹类非金属夹杂物一般呈椭圆形,长度主要分布在1~10μm,包裹外壳主要成分为塑性的MnS夹杂,包裹厚度不均匀,一般为0~2.26μm。被包裹的核以脆性夹杂物Al_(2)O_(3)为主,核的尺寸较小,一般为0.31~1.43μm。从夹杂物核心到外壳存在成分梯度,推断包裹夹杂物外层MnS和Al_(2)O_(3)间为化学结合。采用JMatPro热力学软件计算,结果表明,S和Mn尤其是S含量的增加可以提高MnS的析出温度,有助于形成MnS包裹Al_(2)O_(3)的核壳类非金属夹杂物,从而改善高速车轮钢的疲劳性能。

高速列车车轮用材料的开发动向

介绍了国内外高速列车的发展概况、高速列车车轮的损伤形式以及高速列车车轮用新材料的开发动向。在开发高速列车车轮用材料时,普遍的思想是适当降低车轮材料的碳含量,并进行微合金化,在略微降低甚至不降低材料的强度和硬度的情况下,大幅度提高车轮材料的韧性,从而改善车轮的抗损伤性能,尤其是高速行驶时的抗剥离性能。这一思想对我国的铁路运输高速化也有实际的指导意义。

高速列车车轮用钢研究和应用的进展

介绍了欧洲和日本高速列车车轮用钢的研究与发展情况,综述了其研究成果。高速列车车轮用钢在含碳量0 .5 %并添加少量微合金元素时,具有良好的强度和韧性以及抗剥离性能。