基于有限元模拟材料缺陷对U71Mn钢表面主裂纹的影响

通过有限元法研究了U71Mn钢在弹塑性状态下,其材料缺陷(孔洞)对表面主裂纹尖端力学行为的影响.重点分析了裂纹尖端张开位移(CTOD)、表面张开位移(FSOD)、孔洞方位角β与孔洞半径r等相关变量对裂纹尖端J积分的影响.结果显示,裂纹面对应力有屏蔽作用,导致裂纹面附近的应力松弛,而裂纹尖端对应力有放大作用,随着外力增加将导致裂纹的扩展;孔洞位于主裂纹尖端约-75°<β<75°范围时,孔洞将促进裂纹尖端的变形,导致CTOD及J积分值增加,促进主裂纹的扩展;而孔洞位于75°<β<90°或-90°<β<-75°范围时,孔洞将阻碍裂纹尖端的变形,导致CTOD及J积分值均比无孔洞时要小,从而抑制主裂纹的扩展.

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。

60N U71MnG钢轨轨头裂纹成因分析

对线路探伤检查发现的60N U71MnG重伤钢轨进行磁粉检测复核,在钢轨轨头工作边侧表面发现了裂纹。为查明裂纹产生的原因,人工压断裂纹钢轨并取样,对裂纹处断口进行宏观形貌观察、扫描电镜观察及能谱分析,以获得裂纹断口的形貌特征和伤损特点;对试样进行显微组织观察和维氏硬度检验,以分析裂纹的成因和机理,并在考虑温度拉应力和列车动弯应力作用下,对钢轨受力及裂纹萌生机理进行仿真分析。结果表明:钢轨轨头工作边侧表面裂纹为冷态下形成的外伤,裂纹及其附近部位曾受到过剧烈摩擦产生高温并发生相变产生了马氏体组织;当轨温为-33℃时,在温度拉应力和列车产生的动弯应力的共同作用下,白层马氏体表面中心偏下位置的拉应力为417.6 MPa,裂纹易从钢轨表面中心萌生,其尖端应力强度因子KI为28.9 MPa·mm^(1/2),高于钢轨断裂韧性KIC的最小单值,因此钢轨在经历很短的循环载荷周次后便从白层马氏体处发生裂纹失稳扩展。

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。

广深线PD3与U71Mn钢轨斜裂纹形成特性分析

随着高速铁路的发展,钢轨斜裂纹已成为危及铁路运输安全的重要因素之一。观察发现广深线准高速铁路上的钢轨斜裂纹沿钢轨作用边,呈45°角,其扩展可导致钢轨发生横向断裂。针对广深线铺设的PD3与U71Mn2种已出现斜裂纹的钢轨试样进行了成分、机械性能和硬度分析。结果表明:由于轮轨间摩擦力的反复作用,导致疲劳微裂纹的萌生与扩展,裂纹在钢轨表面与行车方向成一定夹角,沿着钢轨塑性流变方向在钢轨内部朝斜向下的方向扩展;PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨,但U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。

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。

U71 Mn钢轨低温性能试验研究

对包钢产U71Mn成分钢种进行了低温系列冲击试验、低温拉伸试验、低温断裂韧度试验,分析讨论了冲击值与低温韧脆转变温度的关系和化学成分、试验温度对强度、塑性以及断裂韧性的影响。试验结果表明,青藏铁路使用中下限成分的U71Mn钢轨,可提高钢轨安全使用性能,满足青藏铁路格拉段低温环境的需要。

钢包加入、残留痕量稀土对U71Mn钢重轨组织和性能的影响

采用金相、图像分析和测量HRC等方法,对较洁净的U71Mn钢及其在钢包加入0.02%和0.04%RE、残留稀土为0.0022%～0.0025%的U71MnRE钢重轨的组织与性能进行了"profile"实验研究,同时测量了试验钢热轧态及变形态样品的内耗。结果表明:在VD精炼的钢包加入稀土不仅能有效净化钢质,而且残留的痕量稀土能改变钢的夹杂物、细化珠光体、有效减轻和抑制钢组织与性能的不均匀性。U71MnRE钢里高出的0.06%C增加了钢轨的硬度及嵌镶内应力、应变量,因而增大了SKK阻尼和高温过程组尼。

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。

U71Mn和U75V钢轨钢疲劳短裂纹的扩展行为

在扫描电镜下对U71Mn和U75V钢轨钢的Ⅰ型低周疲劳加载和准静态加载下裂纹扩展的过程进行了观察。研究发现,从整体上看材料没有产生明显的宏观塑性变形,属准解理断裂。但从微观上看,裂纹的微观扩展路径曲折、不连续,常伴有分枝裂纹的形成。可观察到局部有韧窝、滑移线等典型的韧性断裂特征。尤其是U71Mn钢轨钢中还伴有局部的撕裂等更强烈的变形。钢轨钢U71Mn比U75V的抗疲劳裂纹扩展性能和韧性略优。

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。

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.

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。

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大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场的数值模拟

国内某钢厂为应对客户对重轨钢质量要求的不断提高,设计并制造了新的大方坯铸机,其中结晶器探索性地由组合式换为整体铜管式,材质为Cu-Ag,以提高铸坯质量。针对U71Mn重轨钢在新的管式结晶器中的冷却凝固的复杂性作者建立了包括结晶器与凝固坯壳之间动态热交换的综合热状态分析的热—力耦合模型,并利用Marc有限元大型计算分析软件进行了分析。所揭示的凝固坯壳与铜管温度场表明,管式结晶器完全适合U71Mn钢大方坯的浇注,并提高了坯壳角部温度分布的均匀性;同时表明,坯壳与结晶器壁之间的气隙变化对其热面温度有明显的影响。

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钢疲劳裂纹扩展速率da/dN的测定与分析

对铁路钢轨材料U71Mn钢的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测定,并用AutoCAD较为精确地得到了a-N曲线的离散值,最后用回归分析法得到了该材料在稳定扩展状态下的裂纹扩展速率。试验数据的相关系数检验表明:本文所得到的结果比较理想,对评价其寿命有参考价值。

U71Mn轨钢低周疲劳寿命的研究

通过对U71 Mn轨钢材料低周疲劳的试验,建立了Manson-Coffin关系式,从而为估算U71 Mn轨铜的低周疲劳寿命提供了依据,并根据尖锐缺口裂纹萌生的常规试验,提出了反映尖锐缺口曲率影响的弹塑性疲劳缺口系数K_f^p,据此建立了K_f^p与缺口裂纹萌生寿命N_i的关系.用这种方法同样可以预测材料的低周疲劳寿命.计算表明,两种方法的计算误差在10％以内.

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。