高铁用进口EA4T钢车轴的组织和力学性能

研究了高铁用进口EA4T钢车轴的显微组织和力学性能,分析了组织和力学性能的均匀性。结果表明:车轴中存在CaS、Al2O3及少量硅酸盐等非金属夹杂物,沿表面至心部夹杂物的数量增多;车轴不同位置的显微组织均为回火马氏体、贝氏体和少量先共析铁素体,自表面向心部先共析铁素体的尺寸增大、数量增多,组织不均匀;车轴的拉伸性能和硬度均满足标准要求,但心部因先共析铁素体含量较多,抗拉强度明显较低;车轴纵向存在带状组织,因此其横向冲击韧性较差;车轴试样的拉伸断口存在较多小而深的韧窝,说明其塑性良好,断裂方式为韧性断裂,而冲击断口存在明显的河流花样和韧窝,断裂方式为脆韧混合断裂。

含不同尺寸菱形压痕EA4T钢车轴的疲劳性能

采用菱形压头挤压的方式在取自EA4T钢车轴的弯曲疲劳试样上预制压痕缺陷,研究了压痕深度对疲劳强度的影响;采用修正Murakami模型预测了疲劳强度,并引入疲劳指示参数构建了疲劳寿命预测模型;采用有限元法对压痕附近的应变进行了分析。结果表明:试样的疲劳强度随压痕深度的增加而降低,与无压痕试样相比,压痕深度为0.052 mm时,疲劳强度略微降低,压痕深度为0.112,0.504 mm时,疲劳强度显著降低;疲劳裂纹萌生于应力集中较大的预制压痕短对角线处,有限元模拟结果较准确;修正的Murakami模型能较准确地预测含压痕缺陷试样的疲劳强度,构建的疲劳寿命预测模型具有较高的精度,实测值与预测值之比均在2倍误差因子范围内。

表面滚压处理对EA4T车轴钢疲劳性能的影响

表面强化可提高高速列车车轴疲劳性能,延长使用寿命。对广泛应用于高速列车的EA4T车轴钢表面进行滚压处理,使用激光共聚焦显微镜表征表面形貌和粗糙度;借助光学显微镜分析滚压处理前后试样的显微组织,并采用EBSD测试滚压试样表层晶粒尺寸;采用显微硬度计测试强化层显微硬度分布并与未处理试样进行对比,采用X射线衍射残余应力分析仪分析其残余应力分布;基于旋转弯曲疲劳试验和扫描电子显微镜下的断口观测分析试样的疲劳性能。研究结果显示:滚压强化后,试样表层发生塑性变形,表面质量得到改善,且形成厚度约为400μm的硬化层,表层产生纳米晶;显微硬度提高了29%,表面最大残余应力为-576MPa,试样显微硬度和残余应力变化趋势一致,均为从表面向心部减小;滚压试样疲劳强度增幅为28%。试验结果表明,滚压是车轴延长寿命的一种有效方式。

轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响

通过超声波探伤、缺陷解剖、低倍检验、光学显微镜金相分析等,探讨轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响。结果表明:EA4T车轴钢在相同加热、冷却制度下,采用相同的?1 100 mm开坯机轧制,当轧制道次由17道次减少到15道次,平均压下量增加5.67 mm。超声波探伤超过?2.0 mm平底孔当量的缺陷数量由10个减少到1个,超声波探伤超过?3.2 mm平底孔当量的缺陷数量由3个减少到0个;探伤合格率高15%以上。采用大压下量15道次轧制的EA4T车轴钢,内部缺陷形貌为典型的缩孔残余,疏松孔洞数量少且细小;采用17道次轧制的EA4T车轴钢,内部缺陷为缩孔残余加密集的疏松孔洞。采用大压下量轧制可以有效消除EA4T车轴钢连铸坯的心部缺陷。

高铁用EA4T车轴钢热变形行为及变形抗力模型的试验研究

试验用EA4T车轴钢(/%:0.26C、0.35Si、0.75Mn、0.011P、0.012S、1.04Cr、0.22Mo)由10 kg真空感应炉熔炼。用Gleeble-1500热模拟试验机对EA4T车轴钢进行高温单道次压缩试验以研究温度(950～1150℃)、应变量(0～0.8)和应变速率(0.1～20 s^(-1))对该钢变形抗力的影响,并建立该钢热变形抗力的数学模型。结果表明,钢种在较高温度和较低应变速率下动态再结晶容易发生,峰值应力(σ_P)、峰值应变(ε_P)和稳态应力(σ_s)与参数lnZ成线性关系;实验钢的峰值与稳态激活能分别为320.22 kJ/mol和361.91 kJ/mol;变形抗力的预测模型与实验所得结果吻合良好。

国产EA4T车轴钢的缺口疲劳性能

在国产EA4T车轴钢上截取光滑和缺口疲劳试样,按照EN13261-2009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:国产EA4T车轴钢的光滑和缺口疲劳强度均满足EN13261-2009的要求,缺口试样的疲劳强度比光滑试样的低30%左右;光滑试样的裂纹萌生于试样表面,呈单源开裂,缺口试样的裂纹萌生于缺口根部,呈多源开裂;未断缺口试样的缺口根部存在非扩展性裂纹。

淬、回火参数对250mm×250mm EA4T高速动车轴用钢组织和性能的影响

试验用250 mm×250 mm方坯EA4T车轴用钢（/%：0.23C,0.32Si,0.70Mn,0.014P,0.010S,0.18Mo,0.03V）的生产流程为60 t EBT EAF-LF-VD-8.4 t铸锭轧制-退火工艺。试验研究了880920℃油淬、600650℃回火工艺对该钢组织和力学性能的影响。经920 C＋600℃、920℃＋650℃和880℃＋640℃淬-回火处理后,该钢的组织分别为马氏体、索氏体＋马氏体和马氏体＋贝氏体;880℃＋640℃淬-回火处理后EA4T钢的力学性能为Rp0.2525 MPa,Rm 720 MPa,A5 23%,U-5 mm纵向冲击功6882 J,横向冲击功6586 J,其组织和力学性能均符合EN13261标准要求。

EA4T车轴钢中斑点状偏析的原因分析

采用宏观检验、化学成分分析、金相检验、工艺分析以及炉数统计等手段对EA4T车轴钢中存在斑点状偏析的原因进行了分析。结果表明:该斑点状偏析为合金成分正偏析,原料粒度、模温、钢液过热度以及钢锭锥度等冶炼参数不合理是主导因素。

EA4T车轴钢脉冲电流加热带状组织的消除

针对国产EA4T车轴钢存在的带状组织问题,采用脉冲电流加热方法对EA4T车轴钢试样进行试验,并按照热模拟整轴心部冷却曲线进行冷却。结果表明,通过电炉加热和脉冲电流加热的复合处理,可部分消除带状组织,先共析铁素体量明显减少,块尺寸细化,组织均匀性显著提高。

车削加工工艺对EA4T车轴钢疲劳性能的影响

对不同工艺车削加工的EA4T车轴钢进行旋转弯曲疲劳试验,研究了车削加工工艺对该钢疲劳性能的影响.结果表明:在不同车削加工工艺下,试验钢轴向残余压应力的最大值与最小值相差50MPa,周向残余拉应力的最大值与最小值相差25MPa,车削加工工艺对残余应力的影响不大;不同车削加工工艺下试验钢表面粗糙度均小于0.8μm,且表面粗糙度的最大值与最小值相差0.15μm,车削加工工艺对表面粗糙度的影响不大;当表面粗糙度小于0.8μm时,车削加工工艺对疲劳寿命的影响不大;疲劳断口均分为裂纹源区、裂纹稳态扩展区和瞬断区,且均只有一个裂纹源,疲劳裂纹都是在表面较深车痕的根部萌生并向内扩展.

大截面EA4T车轴钢回火工艺对组织和性能的影响

通过对国外EA4T车轴钢产品分析及大轴淬火过程模拟,CCT曲线测定,对国产大截面EA4T车轴钢回火热处理工艺进行研究,制定出恰当的回火工艺((910±10)℃淬火、(650±10)℃回火)。通过该热处理工艺实施,国产化EA4T车轴钢力学性能和组织均符合国际先进的车轴标准(EN13261)对材料的要求。

缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响

为了研究和准确评估不同尺寸的缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响,采用钻孔法在光滑试样表面人为引入缺陷,使用旋转弯曲疲劳试验机对光滑试样和不同尺寸缺陷的试样进行疲劳试验,以获得不同试样的疲劳极限;使用扫描电镜(SEM)观察断口形貌,使用Neuber公式(基于缺口敏感性)和修正的El-Haddad模型(基于断裂力学方法)评估带缺陷试样的疲劳极限.研究结果表明:当试样等效缺陷尺寸小于59.64μm时,其疲劳极限与光滑试样相同,都为360 MPa;当等效缺陷尺寸大于59.64μm时,缺陷会降低光滑试样的疲劳极限,并且引入缺陷尺寸越大,疲劳极限越低;基于Neuber公式预测的疲劳强度能得到较为保守的疲劳强度估算值,而修正的El-Haddad模型可以更好地预测和评估不同尺寸的圆孔型三维缺陷对EA4T车轴钢疲劳强度的影响.

激光熔覆修复EA4T车轴钢显微组织和强度评价

激光熔覆技术可修复表面损伤的高速列车车轴,延长车轴使用寿命,降低车轴报废率。本研究在EA4T车轴钢表面激光熔覆24CrNiMo合金粉末,并探索热处理(HT)对熔覆层性能的影响。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、维氏硬度计及万能试验机分析了熔覆层的组织形貌、显微硬度及拉伸性能。通过四点弯曲疲劳试验测定了试件的疲劳性能。结果表明:熔覆层内部组织主要由胞状枝晶、柱状晶和取向随机的细小枝晶组成。由于熔覆层细晶强化以及回火马氏体的形成,显微硬度、拉伸强度和屈服强度远高于基体。热处理后,由于晶粒粗化和回火索氏体的形成,熔覆层硬度和强度下降、塑韧性提高,并且试样疲劳强度较原始熔覆试样有所下降。熔覆试样呈现出含解理台阶和撕裂棱的微解理型断口,热处理后呈现出含准解理裂纹断口的形貌特征。

微粒子喷丸工艺对EA4T车轴钢表面性能和疲劳强度的影响

研究了不同微粒子喷丸工艺对EA4T车轴钢材料表面性能和疲劳强度的影响。基于9种不同喷丸强度或覆盖率(主要由喷丸时间决定)的微粒子喷丸工艺,探究了微粒子喷丸工艺对EA4T车轴钢表面的粗糙度、三维形貌、残余应力、半高宽(FWHM)和表面晶粒尺寸的影响。同时进行疲劳实验得出每种工艺的疲劳极限,并分析了试样断口的形貌。微粒子喷丸在材料表面引入了100μm左右的影响层。随着喷丸强度的增加,材料的表面粗糙度增加。在同一喷丸强度下,20 s喷丸表面粗糙度比10 s与30 s喷丸小。喷丸强度和覆盖率对残余应力最大值的影响较小,但对残余应力层深度的影响显著。喷丸后表面的FWHM最大并在深度方向逐渐减小,喷丸强度越大,喷丸对FWHM的影响层越深。随着喷丸强度和覆盖率的增加,微粒子喷丸试样表面晶粒尺寸减小。所有微粒子喷丸试样疲劳破坏均萌生自表面。不同微粒子喷丸工艺对EA4T车轴钢表面性能的影响不同,但是微粒子喷丸均使材料疲劳极限得到显著提高。

过盈量和套管长度对EA4T车轴钢微动疲劳行为的影响及其微动疲劳极限的预测

高铁EA4T钢车轴与轮毂配合边缘部位微量的相对滑动往往导致该位置发生微动磨损,严重损害了车轴的疲劳性能和列车安全性。采用轴/套管试样模拟车轴/轮毂结构,研究了过盈量(0.01、0.02和0.03 mm)和套管长度(10 mm和15 mm)对EA4T钢室温微动疲劳性能的影响规律,应用有限元计算了轴/套接触区的压应力分布,提出了基于车轴/套管过盈配合处摩擦力的微动疲劳极限的预测公式。结果表明:随着过盈量增加或套管长度减小,轴与套管接触区边缘处的径向压应力和轴向摩擦力增加,EA4T钢的疲劳极限下降了17.1%~28.6%;接触区边缘产生氧化铁磨屑,促进疲劳裂纹多源萌生。微动疲劳极限的预测公式为σ_(1WF)=σ_(-1)-αμP。

旋转弯曲载荷下EA4T车轴钢微动疲劳行为的研究

高铁车轮轴与轮毂过盈配合部位常常发生相对滑动,导致微动磨损,影响了车轴的疲劳性能。采用轴/套管试样模拟车轴/轮毂结构,应用悬臂梁旋转弯曲方法研究了动车组EA4T车轴钢室温微动疲劳性能,绘制了疲劳S-N曲线。结果表明微动磨损降低了EA4T车轴钢的疲劳寿命;随着过盈量的增加,轴上承受的压应力、轴向摩擦力和磨损区域增大,出现氧化铁磨屑,疲劳极限下降;多源疲劳裂纹均萌生于轴/套管接触区边缘轴的表面,疲劳裂纹扩张区出现疲劳辉纹,最终以韧窝形式发生断裂。初步提出微动疲劳极限预测方法。

沟槽性缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能影响规律研究

为研究沟槽类缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响规律,用线切割方法在试样上预置沟槽性缺陷,采用旋转弯曲试验方法测定光滑试样和含缺陷试样疲劳性能,绘制光滑和含缺陷试样的S-N曲线。通过扫描电子显微镜观察不同深度缺陷的疲劳断口,运用修正的Murakami模型预测试样疲劳强度。结果显示:疲劳裂纹萌生于预置缺陷处,缺陷尺寸对疲劳性能有显著影响,疲劳极限随着缺陷深度的增加而降低,疲劳强度的预测值与实际值的误差范围在20%之内。

EA4T钢消除带状组织和细化晶粒的新工艺探索

为了解决EA4T钢存在的带状组织和组织不均匀问题,设计了新的热处理工艺。实验结果表明,经新的热处理工艺处理后,材料中的部分带状组织消除,奥氏体晶粒细化,组织均匀性明显改善,综合力学性能显著提高。

表面超声滚压工艺参数对EA4T车轴表面性能的影响

采用表面超声滚压技术对EA4T车轴表面进行强化处理;利用正交试验法对表面超声滚压工艺参数进行优化。采用粗糙度仪、显微硬度计和残余应力测试仪分别测量车轴表层处的粗糙度、显微硬度和残余应力;并用扫描电镜观察截面的微观组织。结果表明:表面超声滚压可降低EA4T车轴表面粗糙度,获得较高的表面残余压应力,提高车轴表面硬度,并使表层晶粒细化。通过正交试验得出,对粗糙度、表层硬度、硬化层深度和表面残余应力影响最显著的因素分别为进给量、主轴转速、滚压力和主轴转速。本试验条件下选出的最佳工艺参数为主轴转速10 r/min、进给量0.10mm/r、滚压力300 kg。

不同加工工艺对EA4T车轴表面性能的影响

对车削加工后的EA4T车轴进行打磨、滚压和超声滚压等工艺的表面强化处理,测量了经过不同工艺处理后车轴圆弧处的表面粗糙度、表面残余应力和表层硬度,对比观察了不同工艺处理后车轴的表面形貌和表层微观组织。结果表明:超声滚压处理的车轴圆弧表面光洁度最好,粗糙度值低至0.074μm;车轴圆弧处车削加工后表面轴向和周向残余应力都为拉应力,经过打磨、滚压和超声滚压处理后都转变为压应力,超声滚压处理后轴向残余压应力达到-770MPa;超声滚压处理车轴的表面硬度值最大,硬化层深度也最深;超声滚压处理后车轴表层微观组织最均匀,且细晶层的厚度最大。