针对大空间伽马射线输运模拟的CADIS-环探测器耦合方法

为解决大空间伽马射线蒙特卡罗输运模拟面临的粒子难以到达目标区域的深穿透问题和小目标区域计数问题,本文提出一致性共轭驱动重要性抽样(CADIS)-环探测器耦合方法。使用环探测器计数作为统计目标量的计数方法,使用基于CADIS方法的概率论-确定论耦合流程自动产生源偏倚参数和权窗参数,将自动产生的源偏倚参数和权窗参数与环探测器计数耦合运用到大空间伽马射线输运模拟,能增加环探测器附近的粒子数,降低蒙特卡罗计数统计方差。数值结果表明,针对3000 m的大空间伽马射线输运模拟,在相同粒子输运的情况下,与只使用环探测器计数相比,CADIS-环探测器耦合方法能将相对标准偏差从11.33%降低到2.49%,将品质因子提高2倍。因此,本文提出的CADIS-环探测器耦合方法能有效解决大空间伽马射线输运模拟的深穿透问题和小目标区域计数问题。

无缝张减径新型铸态CADI研究与制造

奥贝球铁具有高强度、高韧性、高硬度、良好的耐磨性以及优良的铸造性能等特点,文章详细阐述了奥贝球铁通过合金化和连续冷却控制技术,使C曲线右移,扩大贝氏体区,避开珠光体区,得到铸态含碳化物的奥贝球铁。铸态CADI首次在轧辊上研制成功,会引起轧辊行业新一轮技术变革。

等温淬火温度对CADI组织及性能的影响

针对含一定碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI),研究了等温淬火温度对贝氏体相形貌、残余奥氏体量、力学性能及耐磨性能的影响,分析了冲击断裂机理。结果表明,对于铸态组织为75%珠光体+铁素体+10%碳化物试样,经920℃×1.5 h奥氏体化后,在240℃、280℃及320℃进行等温淬火处理2 h,随着等淬温度的提高,贝氏体的形貌由针状变粗至羽毛状,残余奥氏体量增加,硬度减低,冲击韧度提高,相对耐磨性降低。最佳等温淬火温度为280℃,此热处理工艺后组织为贝氏体+22.33%残余奥氏体+10%碳化物,硬度HRC 50.9,冲击韧度32.72 J/cm2,断口呈混合断裂特征,相对耐磨性比320℃时增加11%。

铬对CADI组织及性能的影响

通过金相观察、X射线衍射分析、能谱分析、洛氏硬度、冲击韧度及耐磨性试验,研究了铬对含碳化物等温淬火球墨铸铁(CAD)I的组织、力学性能及耐磨性能的影响。结果表明,经过920℃的奥氏体化保温1.5h及280℃等温淬火保温2h热处理后,含铬0.5%的试样组织及综合性能最佳,其铸态组织为65%珠光体+铁素体+碳化物,热处理后其组织为下贝氏体+15%碳化物+残余奥氏体,抗拉强度σb为1420MPa,硬度为HRC50.9,冲击韧度为21.37J·cm-2,相对耐磨性比不加铬时提高了48%。

碳化物对CADI硬度和冲击韧度的影响

对于含碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI),加入以铬为主的碳化物形成元素,并采用奥氏体化工艺来控制组织中碳化物的量。结果显示,随着试样中的铬的加入量从0.553%增加到0.997%,基体中碳化物量增多,经920℃保温100 min奥氏体化、然后在280℃进行等温淬火处理90 min,后其硬度从42.7 HRC提高到50.5 HRC,但冲击韧度从61.4 J/cm2下降到37.8 J/cm2。

CADI磨球落球疲劳试验中的应力数值模拟及失效分析

应用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对CADI磨球在落球疲劳试验单次落球过程中的应力场进行了数值模拟。结果表明:磨球碰撞接触界面剪应力峰值出现在略偏离接触界面中心位置,等效应力峰值出现在接触界面中心位置。残余等效应力峰值和残余剪应力峰值均出现在撞击部位周围挤压区。作者认为,是残余应力的累积、应力诱发马氏体相变和加工硬化、磨球材质及冶金质量等综合因素引起的材料疲劳损伤导致了磨球的表层剥落失效。磨球亚表层夹渣物的存在是造成剥落失效的直接原因。

CADI材料微观组织及其耐磨性能的研究

采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)和磨料磨损试验机研究了含碳化物的等温淬火球墨铸铁(CADI)微观组织及其耐磨性能。结果表明,快冷CADI材料含有较多的碳化物(体积分数,24%),明显高于慢冷CADI试样(9%)。对相同冷速的试样,较高的固溶温度和较长的等温淬火时间会提高材料的奥氏体含量和奥氏体中的C含量。CADI材料的耐磨性主要取决于碳化物含量的多少,碳化物含量高材料耐磨性能好;其次是奥铁体组织,奥氏体含量越多、奥氏体C含量越高,材料的耐磨性能越好。

ADI和CADI在冶金矿山等行业中的应用及前景

综述了ADI和CADI的耐磨性能及耐磨原理;详细介绍了ADI磨球、衬板和锤头的应用情况,认为ADI件无论在综合力学性能,还是在耐磨性、使用寿命、成本方面都优于高铬铸铁件;同时还介绍了CADI在农业机械领域的应用效果。根据我国钢铁行业的发展趋势,指出ADI和CADI耐磨件市场前景广阔。

锰对CADI组织及性能的影响

研究了锰含量对CADI微观组织、力学性能和耐磨性能的影响。结果表明,经960℃高温预处理7 min、900℃奥氏体化保温90 min、250℃等温淬火保温90 min后,CADI的微观组织为石墨球、针状铁素体、残余奥氏体和一定量的碳化物。锰含量为1.72%时,CADI的硬度为53.8 HRC,冲击韧度为10.2 J/cm2,磨损率为0.246 mg/m,综合性能达到最佳。

超高奥氏体化温度提高CADI韧性的探索

对采用超高奥氏体化温度提高CADI韧性的可能性进行了探索。结果表明:(1)随着奥氏体化温度的升高,CADI组织中的铁素体由针状逐渐转变为羽毛状;弥散在基体中的碳化物由网络状转变为细小的颗粒状;石墨球尺寸长大;残余奥氏体量及其w(C)量逐渐增加,晶粒变得粗大;(2)w(Cr)量升高可增加组织中碳化物的体积分数,抑制石墨球长大;(3)与常规奥氏体化温度获得的硬度相同的CADI对比,超高奥氏体化温度获得的CADI的韧性更为优异;当w(Cr)加入量为0.5%,采用960～1 000℃超高温奥氏体化时,硬度为39～50 HRC的CADI试样的αK值范围可达28～93 J/cm2。

硼对CADI组织及性能的影响

研究了不同硼含量对含碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI)的组织、力学性能及耐磨性能的影响。结果表明:CADI铸态组织为石墨球、珠光体和碳化物,且石墨球的圆整度随硼含量的增加而逐渐降低。经960℃高温预处理7 min、900℃奥氏体化保温90 min、280℃等温淬火保温90 min后,组织由针状铁素体、残余奥氏体、石墨球和一定数量的碳化物组成,且针状铁素体随硼含量的增加而数量有所增多,晶粒变得细小。随着硼含量的增加,CADI的硬度逐渐增加,冲击韧度逐渐降低,磨损率减小,耐磨性逐渐提高。当硼含量为0.050%时,硬度为HRC 55.7,冲击韧度为9.1 J/cm2,磨损率为0.206 mg/m,综合性能达到最佳。

喂线法生产CADI的经验探索

利用喂线法生产CADI的铸态组织,不仅可以细化石墨、保持石墨球的圆整度,同时能有效地防止球化孕育衰退,减轻组织的白口化程度。对该球铁采用合理的等温淬火工艺,将得到耐磨性好、强度和韧性更高的CADI。

显微组织对CADI磨球冲击磨损性能的影响

采用油淬+空气等温热处理工艺制备CADI磨球,利用不同的油淬时间获得组织不同的CADI磨球。使用OM、SEM、XRD和冲击磨料磨损试验机研究了显微组织对CADI冲击磨损性能的影响。结果表明:采用短时油淬时,CADI磨球的基体组织主要为下贝氏体;而长时间油淬时,CADI磨球基体形成了马氏体。在冲击功为1.2 J的冲击磨料磨损试验中,马氏体CADI试样在初始阶段耐磨性较好;随着时间的延长,磨损失重越来越大,超过贝氏体为主的CADI试样。冲击磨损过程中,试样会产生形变层,形变层内石墨球和基体的界面处会产生较大应力集中;当组织韧性不足时,裂纹极易从石墨球和基体的界面处萌生和扩展,导致耐磨性下降。

两种热处理工艺对CADI铸球力学性能和耐磨性的影响

分别采用盐浴等温淬火和油淬+空气中等温处理对同样化学成分的CADI铸球进行热处理。结果表明:两种热处理工艺铸球的显微组织均为石墨球、碳化物、针状铁素体和残余奥氏体组成,硬韧性匹配较好,铸球的硬度和冲击韧性相近。油淬+空气中等温处理铸球表面耐磨性略好于盐浴等温处理,盐浴等温处理铸球心部耐磨性略好于油淬+空气中等温处理。可采用油淬+空气中等温处理工艺替代盐浴等温热处理工艺处理CADI铸球。

热处理对大直径CADI磨球微观组织和性能的影响

对Φ150mm CADI磨球分别用盐浴等温淬火、油淬等温淬火和水-空交替等温淬火三种等温淬火工艺进行热处理,测定了热处理后磨球的洛氏硬度和冲击吸收能量,使用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对大直径磨球内部不同部位的物相和微观组织进行表征。试验结果表明:三种热处理后的大直径CADI磨球的微观组织十分相似,均由针状铁素体、富碳奥氏体、碳化物和球状石墨组成。经过盐浴等温淬火热处理后,磨球心部到表面的洛氏硬度在HRC53.37~57范围内,心部和1/2半径(1/2R)处冲击吸收能量分别为11.98 J、13.78 J;经过油淬等温淬火热处理后,磨球心部到表面的洛氏硬度在HRC51.95~55.20范围内,心部和1/2R处冲击吸收能量分别为12.28 J、14.8 J;经过水-空交替等温淬火热处理后,磨球心部到表面的洛氏硬度在HRC52.73~55.75范围内,心部和1/2R处冲击吸收能量分别为12.7 J、13.78 J。经过水-空交替等温淬火处理后的大直径CADI磨球的组织和力学性能与盐浴和油淬工艺相近,磨球内外性能差异小。水-空交替等温淬火工艺有望替代盐浴和油淬等温淬火工艺。

钼对CADI组织和磨损及电化学腐蚀性能的影响

通过添加不同含量的钼元素,采用OM、SEM等设备,研究了钼含量对含碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI)组织、耐磨性能及电化学腐蚀性能的影响规律。研究结果表明,CADI铸态组织为石墨球、珠光体、碳化物及极少量的铁素体,其中石墨球化等级和石墨大小均达到2~3级和6~7级,石墨数量随着钼含量的增加而减少;热处理后CADI组织为石墨球、奥铁体及一定量的碳化物,钼含量为0.416%的试样磨损率为0.221 mg/m,腐蚀电位为-0.578 6 V,腐蚀电流为8.406×10^(-8) A·cm^(-2),具有良好的综合性能。

CADI研究进展及展望

详细阐述了CADI近年来的研究进展,主要涉及Mn含量、Cr含量、B含量和高温预处理、热处理工艺对CADI微观组织和性能的影响及其磨损机理,最后提出CADI将来的发展趋势,耐磨机理、标准的制订、高效低成本等温淬火设备以及高效稳定的分级淬火工艺将是研究重点。

CADI磨球中Cr元素对其微观组织及力学性能的影响

针对含碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI)磨球发生掉皮、破碎和耐磨性差等问题,通过对不同Cr元素含量下磨球的微观组织与性能进行分析,使CADI磨球的综合性能得到改善。结果表明,磨球组织由贝氏体、马氏体、碳化物、残余奥氏体和石墨球组成。随着Cr含量的增加,CADI磨球中碳化物的含量增加,使CADI磨球的硬度增大,但其韧性也急剧恶化。此外,Cr含量为0.82%时CADI磨球在加工硬化前的硬度达到54.2 HRC,冲击韧度值降低至5.0 J/cm^2。

CADI磨球异常组织分析与对策

采用标准金相技术并借助光学金相显微镜和扫描电镜,分别沿直径方向对铸态和淬火态磨球的微观组织进行了观察,对比分析了国内磨球与蒙古磨球由表层至心部的铸态组织和淬火态组织的差异,揭示了磨球表面激冷层相组成对磨球整体传热过程的作用机制。结果表明,从改善铸态组织和降低奥氏体稳定性两方面出发,提出了化学成分的调整方向,成功地解决了蒙古CADI磨球组织异常、心部淬不到、性能不达标等的生产难题。

CADI磨球表层残余应力的测定

基于弹塑性平面应力和残余应力的相关理论,利用电测技术和“切割法”对CADI磨球碰撞前、后表层的残余应力进行了测定,对磨球表层的残余应力有了定量认识。测试结果表明,经过多次落球试验碰撞的CADI磨球表层,存在着约500~900MPa、各方向基本相等的环向压应力,残余应力数值随着碰撞次数的增加而增加,但超过20000次后增加并不明显;碰撞磨球表层的残余应力数值与Mn含量存在着正相关关系,在某一范围内,Mn含量越高,残余应力越大;未经碰撞的CADI磨球表层也存在着拉伸(或压缩)环向残余应力,但其数值都比碰撞后磨球的残余应力小得多。