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。

U75V钢的连续冷却相变行为

利用膨胀法结合金相分析在热模拟试验机上测定了U75V钢不同冷却速率下的连续冷却转变膨胀曲线,获得了该钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线);研究了冷却速率对钢组织及硬度的影响。结果表明:当冷速小于10℃.s-1时,转变产物主要以珠光体为主;当冷速增大到10℃.s-1时,得到屈氏体组织和马氏体组织;当冷速增大到10℃.s-1以上时,得到马氏体组织;试验钢的硬度随冷却速率的增加而增大。

U75V钢流动应力的试验研究

针对U75V钢,利用Gleeble-1500热模拟试验机对其在不同温度和应变速率下的流动应力进行试验研究。通过实测数据,分析变形温度、变形速率和变形程度与流动应力之间的关系,确定了U75V钢流动应力的数学模型。对其数学模型进行回归,将理论计算与试验数据进行对比,证明此模型具有良好的曲线拟合特性,可以做为工艺计算和数值模拟的依据。

U75V钢相变动力学曲线测定及热处理工艺研究

用Formastor-F型热膨胀仪测定了U75V钢的相变动力学曲线（CCT与TTT曲线）;对该钢轨的热处理工艺进行了初步探讨。结果表明：当冷却速度为0.25~6.00℃/s时,组织以珠光体为主,且随冷却速度增加,组织变细,硬度增大;冷却速度大于6.00℃/s时,组织中开始出现马氏体;当转变温度大于525℃时,组织为珠光体,且随温度减小,片间距变细,硬度增大;当温度降到500℃时,开始发生贝氏体相变。U75V钢热处理时,控制转变温度高于525℃并进行等温转变,冷却速度为2.00~6.00℃/s,获得的珠光体片间距最细,硬度可满足钢轨的性能要求。

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。

U75V钢轨钢波磨的形成过程及其组织演变

用光镜和扫描电镜结合表层硬度测试,研究U75V钢轨钢滚动磨损试样表面波磨形成过程及其表面形貌和表层组织变化.结果表明,磨损表面形成一层剧烈塑性变形层,其中铁素体和渗碳体明显细化.在波磨初期,随着转数的增加,剧烈塑性变形层厚度增加,在波磨中期和波磨后期,其厚度基本保持不变.波谷处剧烈塑性变形层厚度大于波峰处.波磨中期,磨损量增加,波磨后期,摩擦系数急剧升高.波峰处以粘着磨损为主,波谷处以疲劳磨损为主.表层硬度随转数增加而增加,波磨后期,表层硬度呈波浪形分布,硬度峰值位于波磨波谷位置,硬度谷值位于波磨波峰位置.

滚滑磨损对U75V钢组织性能影响

采用纯滚动和滚动加滑动接触方式进行干摩擦磨损,研究U75V钢磨损后组织和性能变化规律.结果表明,U75V钢试样经纯滚和滚滑磨损后,表面至心部出现硬度梯度分布,距离表面越近,硬化程度越高.纯滚动状态下硬度梯度比较大,表面平均硬度较高,滚滑状态下硬度梯度较小,表面平均硬度较低.随着距表面距离减小,变形组织逐渐纤维化,纤维方向逐渐平行于试样表面.在表面附近,珠光体出现片层断裂、碎化、细化.纯滚状态下磨损机制为表面微观疲劳磨损,滚滑状态下磨损机制为表面微观疲劳磨损和少量黏着磨损.

单轴压缩下U75V钢动态力学行为及其修正J-C本构模型

采用材料试验机(MTS-880/25T)和温度控制的霍普金森压杆装置研究了U75V钢在25~700℃和0.0003~8000 s-1应变率下的力学行为进行了单轴压缩实验研究,获得了U75V钢在高温、高应变率动态压缩条件下的应力-应变曲线。利用Johnson-Cook模型对U75V钢动态塑性本构进行拟合,获得了其本构模型参数,发现U75V钢在500~700℃温度范围具有动态应变时效现象。对在2500 s-1应变率及不同温度下霍普金森杆撞击实验的试样组织进行观察,并对其发生动态应变时效的原因进行了分析和讨论。通过引入动态应变时效临界温度Tc和强化系数λ,对经典J-C模型进行了修正。结果表明,修正后的J-C模型参数可以在25~700℃和2500~8000 s-1应变率范围内准确描述U75V钢的动态力学行为。

精炼渣对U75V钢中非金属夹杂物影响的研究

研究了精炼渣碱度和渣中Al_(2)O_(3)含量对U75V钢中非金属夹杂物的影响。结果表明,精炼渣碱度对钢中夹杂物成分影响较大。在U75V钢精炼过程中,随着精炼渣碱度由1.4提升至2.0,钢中夹杂物的成分发生了较大变化。其中,平均w(CaO)由43%升高至62%,平均w(SiO_(2))、w(MgO)和w(Al_(2)O_(3))均有不同程度的下降,分别由37%、16%、4%下降到29%、7%、2%。精炼渣碱度对U75V钢中夹杂物数密度影响较大。碱度为1.4时,夹杂物数密度为2.95个/mm^(2),随着碱度升高至1.8,夹杂物数密度降至1.42个/mm^(2),继续升高精炼渣碱度,夹杂物数密度开始增大。精炼渣碱度为1.8时,钢中夹杂物数密度最小,此时的精炼渣更有利于夹杂物的去除。精炼渣中Al_(2)O_(3)含量对钢中夹杂物有重要影响。随着精炼渣中w(Al_(2)O_(3))由0升至3%,夹杂物中CaO和SiO_(2)含量降低,MgO和Al_(2)O_(3)含量升高;继续提升精炼渣中w(Al_(2)O_(3))至6%,夹杂物中w(CaO)不再变化,稳定在40%左右,而MgO、SiO_(2)含量略有降低,w(Al_(2)O_(3))则升高至18%左右。随着渣中Al_(2)O_(3)含量升高,钢中夹杂物数密度持续上升,且当渣中w(Al_(2)O_(3))由3%增加至6%时,夹杂物数密度增加了近1倍。因此U75V需要将精炼渣中w(Al_(2)O_(3))控制在3%以下。在生产过程中,应严格控制合金和造渣材料中的Al s和Al_(2)O_(3)含量,减少进入炉渣中Al_(2)O_(3)含量,将炉渣碱度控制在1.8左右。

U75V钢轨脉动闪光焊工艺研究

针对目前呼和浩特局工务机械段使用的移动式闪光焊机LR1200焊接包钢U75V钢轨型式试验接头质量不稳定的问题,采用低电压、低能量、较小烧化末速的脉动闪光焊工艺,获得了很好的焊接效果,一次性通过型式检验。

不同热处理方式对贝氏体钢与U75V钢轨闪光对焊接头组织与性能的影响

通过拉伸、冲击、金相和硬度试验,对中频感应正火、高温电加热处理、低温回火热处理和未热处理前后的贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头力学性能的影响进行了研究.研究结果表明:中频感应正火和高温电加热处理对接头组织和硬度均匀化有良好的作用,可显著提高焊接接头的冲击性能,一定程度上提高了接头的拉伸性能;与未热处理接头相比低温回火热处理对接头的组织、硬度、拉伸和冲击性能均影响不大.

中频感应正火对贝氏体钢与U75V钢轨闪光对焊接头组织与性能的影响

通过静弯、拉伸、冲击、金相和硬度试验,对中频感应正火前后贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头力学性能的影响进行了研究。研究结果表明:中频感应正火对焊接接头组织和硬度均匀化有良好的作用,提高了静弯破断载荷,且经过热处理后焊接接头的抗拉强度和冲击韧性都得到提升,均满足标准的要求。

稀土Ce及热处理对铸态U75V钢中夹杂物的影响

以铸态U75V为实验钢种,研究了向钢中添加稀土Ce、热处理工艺及二者共同作用对钢中以MnS为主的夹杂物的影响。结果表明,原始铸态U75V钢中主要有三类夹杂物:纯MnS、Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-MnO复合夹杂物及MnS半包裹Al_(2)O_(3)-SiO_(2)的复合夹杂物;其平均尺寸为4.75μm,平均长宽比为1.27。将原始铸态U75V钢加热至1300℃保温1h后空冷,钢中夹杂物的种类和成分未发生明显变化,但夹杂物平均尺寸降低至3.8μm,降低了约20%,平均长宽比也减小约4.7%。向钢中添加0.0013%稀土Ce后,夹杂物成分复杂化,除了纯MnS以外,还有三种不同形态的含Ce夹杂物;与原始铸态U75V钢相比,添加稀土Ce后,夹杂物平均尺寸显著降低,减小了1.91μm(约40%),但长宽比略增(约1.6%)。向钢中添加稀土Ce再加热至1300保温1h后空冷,与原始铸态U75V钢相比,夹杂物平均尺寸降低约34%,长宽比降低约2.4%。综合对比,在U75V钢中添加0.0013%稀土Ce并对其进行1300℃保温1h后空冷处理,钢中MnS及相关夹杂物尺寸和长宽比均明显降低。

不同热处理条件下U75V重轨钢的组织及断裂韧性研究

以U75V重轨钢为研究对象,采用万能试验机、应变仪、扫描电镜等测定和分析其在线轧态和在线热处理态条件下的微观组织、断口形貌及三点弯曲断裂韧性,揭示其微观组织对断裂韧性的影响规律,为研究珠光体重轨钢热处理工艺提供参考。结果表明:U75V重轨钢热处理态和轧态的表面应变变化规律相似,但热处理态U75V重轨钢从弹性变形到塑性变形比轧态滞后;热处理态和轧态U75V重轨钢的断裂韧性K_(IC)值分别为45.122、42.048 MPa•m^(1/2),热处理态的断裂韧性比轧态高;轧态U75V重轨钢断口为解理断裂,而热处理U75V重轨钢为准解理断裂;轧态和热处理态U75V重轨钢的珠光体片层间距分别为272.2、148.4 nm,热处理态U75V重轨钢的珠光体片层细密,存在显著的珠光体团簇,不利于裂纹的扩展,使得热处理态U75V重轨钢断裂韧性高于轧态。

高铁用U75V钢轨钢动态CCT曲线

用膨胀法结合显微组织观察及硬度测量方法,得到了U75V钢轨钢动态CCT曲线。结果表明：当冷却速度为0.05-3℃/s时的U75V钢轨钢的显微组织为珠光体组织,而且随着冷却速度的加快珠光体片层间距逐渐减小;冷却速度为5℃/s时主要的显微组织为珠光体组织,但出现少量马氏体组织;当冷却速度为15-50℃/s时的显微组织为马氏体和残余奥氏体组织。随着冷却速度的增大,硬度呈增加趋势。高铁用U75V钢轨钢奥氏体向珠光体开始转变温度不超过700℃,相变结束温度不低于500℃,当冷却速度为2-3℃/s时珠光体片层间距最为细小。

终冷温度和保温时间对U75V钢组织及硬度的影响

利用MMS-200热力模拟试验机对U75V钢轨钢进行了热处理试验,研究了不同终冷温度和保温时间对U75V钢的显微组织和硬度的影响。结果表明,570℃为U75V钢发生珠光体转变的最佳终冷温度;当U75V钢经终冷温度为570℃,保温时间为5 s的等温处理后,所得组织为细小珠光体和少量铁素体,此时U75V钢硬度最高,满足钢轨性能要求。

Ce含量对U75V钢力学性能的影响

利用真空感应炉冶炼了含有不同Ce含量的U75V钢,并对其进行热轧。借助Gleeble 1500型热压缩试验机、JB-300B型冲击试验机、HVS-1000硬度测试仪以及Stemi-508显微镜对实验钢的力学性能及显微组织进行了分析。结果表明,相同的压缩温度,由于加工硬化作用大于再结晶的软化作用,峰值应力随着压缩速率的增加而提升;相同的压缩速率,峰值应力随着压缩温度升高而降低。较高的变形温度有利于动态再结晶的发生,流变软化作用更加显著。添加微量稀土后实验钢峰值应力略微降低,由109.54 MPa降至104.05 MPa,降低了5%,说明添加微量稀土Ce后实验钢的塑性略微提升。随着压缩温度的提升添加多量稀土与微量稀土实验钢的峰值应力没有发生明显变化,即实验钢的塑性没有明显变化。未添加稀土时,当应变速率不变时,峰值应变随变形温度的升高而呈降低趋势。而添加稀土后,压缩温度为1050℃时峰值应变均延迟发生,说明添加稀土Ce改变了U75V钢动态再结晶的驱动力条件。添加稀土会使U75V钢的常温冲击性能降低,微量稀土可以一定程度地提升其低温(-20℃)冲击性能,但是添加过量稀土后实验钢的常温和低温冲击性能均会降低。原始U75V钢的硬度为948.8 N/mm^(2),大大超出国标规定的硬度范围。添加质量分数为13×10^(-6)的稀土Ce后硬度降低为368 N/mm^(2),添加440×10^(-6)稀土Ce后硬度进一步减小至327 N/mm^(2)。加入微量稀土元素后有助于U75V钢硬度降低至国标范围的中值。实验钢加入稀土元素,珠光体晶粒尺寸减小,粒状珠光体的数量减少,片状珠光体的数量增加,有利于提高实验钢的力学性能。

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。

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重轨钢280mm×380mm连铸坯加热工艺的试验研究

在钢厂利用Thermophil STOR测试系统(黑匣子)进行步进式加热炉内U75V重轨钢280 mm×380mm铸坯加热过程温度跟踪,并用Origin软件进行数据处理,得出铸坯加热温度、升温速度、表面与中心温差等曲线。结果表明,铸坯平均加热温度为1220℃,当在炉时间超过180 min,应降低均热段控制温度约20℃;炉内水梁对铸坯下表面温度影响较大,应控制均热段下部温度较上部温度高20℃;在目前加热工艺下,重轨铸坯出炉时内外温差(厚度方向)控制在20℃以内,铸坯温度在1 200℃以上,能满足重轨生产要求。