THE STRAIN CYCLIC CHARACTERISTICS AND RATCHETING OF U71Mn RAIL STEEL UNDER UNIAXIAL LOADING

An experimental study was carried out of the cyclic behavior of U71Mn rail steel subjected to uniaxial strain and stress. The effects of cyclic struin amplitude, mean struin,strain loading rate and their histories on the strain cyclic characteristics were studied.Under the asymmetrical stress cycling, the effects of stress amplitude, mean stress,stress loading rate and their histories on the ratcheting were analyzed. The interaction between strain cycling and stress cycling was also discussed. It is shown that either the cyclic characteristics under strain cycling or the ratcheting under asymmetrical stress cycling depends not only on the cumnt loading state, but also on the previous loading history. Some significant results are obtained.

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.

4种成分车轮钢与U71Mn钢轨钢间的磨损行为

在轮轨磨损试验机上研究了热轧U71Mn钢轨钢和4种成分车轮钢间的摩擦磨损行为,分析了车轮钢化学成分、硬度对磨损行为及磨损机制的影响。结果表明:随着碳元素含量的提高,车轮钢显微组织中先共析铁素体含量显著减少,珠光体晶粒尺寸增大,珠光体中的渗碳体片层变厚,车轮钢的硬度也逐渐增大;随着车轮钢硬度的增大,车轮钢磨损量减少,其主要磨损机制由磨粒磨损和浅层剥层磨损向深层剥层磨损转变,钢轨钢磨损量增加,其主要磨损机制为浅层剥层磨损。

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 75 kg/m 重型钢轨的性能研究

研究了U71Mn75kg/m重型钢轨钢的等温转变曲线及连续冷却曲线,发现将冷却速度控制在8～2℃/s之间,可获得强度高、耐磨性好的珠光体;通过与U7460kg/m钢轨的对比试验可知,在二者实物疲劳强度相近的情况下,U71Mn75kg/m重型钢轨的承载能力是U7460kg/m钢轨的1.3倍,在同样的冲击能量下,前者所承受的冲击次数高于后者。

热处理U71Mn钢轨钢的棘轮行为及其本构模型

通过单轴拉伸试验、对称应变循环疲劳试验和非对称应力循环疲劳试验,研究了热处理U71Mn钢轨钢的循环特征和棘轮行为;基于试验结果,对Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型进行修正,并将模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:试验钢表现出初始循环软化特性;在非对称应力循环载荷下,试验钢产生了明显的棘轮行为,棘轮应变随应力幅、平均应力和峰值应力的增加而增加,棘轮应变率随峰值应力的增加而增加,当峰值应力不超过950MPa时,棘轮应变率随循环周次的增加快速减小至稳定值,当峰值应力超过950MPa时,棘轮应变率先减小后增大;大多数工况下采用所建立的修正Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型得到的棘轮应变与试验值的平均相对误差约为9.8%,说明该模型能够较好地预测热处理U71Mn钢轨钢在应力循环工况下的棘轮行为。

激光淬火U71Mn钢轨面淬硬层的材料参数反演分析

对激光淬火U71Mn钢轨淬硬层和母材进行纳米压痕试验,由载荷-压深曲线计算得到弹性模量和纳米硬度;建立淬硬层纳米压痕的轴对称有限元模型,基于幂强化模型并结合迭代法对载荷-压深曲线进行反演分析,确定幂强化模型的材料参数,并对反演分析的有效性进行验证。结果表明:淬硬层的平均弹性模量和纳米硬度分别为220.3,11.8GPa,与母材相比分别提高了4.9%和187.8%,且二者在淬硬层中分布较为均匀,仅在边界处发生突变;反演分析得到淬硬层的特征应力为3 146.0MPa,特征应变为0.038,应变硬化指数为0.64,名义屈服强度为498.3MPa;由反演分析得到的应力-应变曲线与给定参数确定的应力-应变曲线的吻合程度较高,说明此反演分析方法有效。

U71Mn钢钢轨轨端热处理工艺改进

对钢轨轨端采用加热空冷、加热风冷、淬火 +回火 3种不同的工艺进行热处理 ,并对处理后钢轨踏面的组织、性能进行对比分析。结果表明 ,钢轨轨端采用加热风冷的热处理工艺是可行的 ,用该工艺处理后钢轨轨端的组织。

U71Mn钢中w[N]对性能影响研究

文章针对包钢生产的U71Mn钢中w[N]偏高的问题,研究了w[N]对钢轨性能的影响。研究表明,钢中w[N]在（50~95）×10-6之间,随着钢中w[N]的上升,钢轨的常规力学性能变化不大,但断裂韧性下降。因此需将U71Mn钢中w[N]控制在较低水平。

珠光体组织对重轨钢U71Mn腐蚀行为的影响

通过实验室加速腐蚀试验研究了不同珠光体片层间距重轨钢在模拟大气环境中的腐蚀行为,采用场发射电镜、XRD、电化学测试等方法对重轨钢组织和腐蚀结果进行了表征。不同冷却制度下所得实验用U71Mn重轨钢珠光体片层间距为155 nm、241 nm、340 nm、446 nm。随腐蚀时间延长和珠光体片层间距减小,腐蚀失重和腐蚀速率明显下降,珠光体片层间距为155 nm时,腐蚀速率最小,为0.0014 mg·cm^(-2)·h^(-1)。四种试样锈层中均含有α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe_(3)O_(4),当珠光体片层间距减小到241 nm以下,α-FeOOH峰值明显增强,腐蚀产物中最先出现少量α-Fe_(2)O_(3),锈层形貌较为致密。珠光体组织片层间距从446 nm减小到155 nm,形成致密的保护性锈层的时间从240 h提前120 h,内锈层厚度和致密性明显提高,腐蚀480 h后珠光体片层间距最小的实验钢腐蚀电流最小,腐蚀电位最大,抗大气腐蚀性能最好。

U71Mn钢轨的成形铣削力测试与建模

由于钢轨铣磨车作业时难以获取切削力信号,为此根据铣磨车所用铣刀盘实际形状,以一定的缩小比例制作了成形铣刀盘,并搭建了专用的试验台对U71Mn钢轨进行一次铣削成形,通过在线监测铣削力数据,获得铣削速度、铣削宽度和每齿进给量对铣削力的影响规律。在正交试验结果的基础上,采用多元线性回归分析方法,建立铣削力数学模型,用F检验法验证模型显著性,与试验结果对比分析,验证模型的合理性,并对试验结果进行极差分析。试验结果表明:三个方向上的铣削力随着铣削速度的增加而减小,随着铣削宽度和每齿进给量增加而增加。同时得到在本次切削加工条件下铣削U71Mn钢轨的最优加工工艺参数组合为a_e=0. 05mm、v_c=260m/min、f_z=0. 5mm/z。

U71Mn起重机轨道焊接工艺

由于起重机轨道通常采用高碳中锰的U71Mn钢轧制而成,焊接性能较差,焊缝中容易产生裂纹、夹渣等缺陷;同时由于轨道截面的特殊性,轨道焊接易产生挠曲变形。文章进行了U71Mn钢的焊接性能分析,分析了轨道焊接常见问题和产生原因,提出了控制措施,并详细介绍了U71Mn钢轨道焊接的施工工艺,对同类钢轨焊接具有借鉴意义。

U71Mn钢轨气压焊接头的损伤行为

采用硬度计、轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜等对服役后的U71Mn钢轨气压焊接头的硬度、裂纹形貌及显微组织进行测试与观察,分析接头不同区域的损伤行为。结果表明:焊接接头两侧距接头中心30~50 mm处存在低凹区域,其位置与软化区位置吻合;轮轨接触使接头硬度提高,但是软化区的硬度始终低于母材;根据珠光体形态,接头从中心向两侧热影响区可依次分为层片状珠光体区域、部分珠光体球化区Ⅰ、珠光体球化区、部分珠光体球化区Ⅱ;软化区位于珠光体球化区;珠光体球化区与部分珠光体球化区的裂纹深度和裂纹尖端扩展角都较大,这是由于粒状珠光体对裂纹扩展的阻力较小导致的。

氮含量对U71Mn高速钢轨力学性能的影响

重轨U71Mn钢(%:0.66～0.76C、0.15～0.35Si、1.10～1.40Mn、≤0.030P、≤0.030S)的冶金工艺流程为100 t转炉-LF(VD)-280 mm×380 mm连铸。研究了转炉至中间包各工序[N]及影响因素,氮含量对钢轨力学性能的影响。结果表明,随钢中氮含量由54×10^(-6)增加至94×10^(-6),钢轨的断裂韧性由34.7～38.1 MPa m^(1/2)降至28.1～31.5 MPa m^(1/2)。LF精炼时将增碳剂由沥青焦改为无烟煤时,钢中氮含量可控制≤64×10^(-6),平均氮含量为50.9×10^(-6)。

高速铁路钢轨剩余疲劳寿命预测研究

利用断裂力学理论建立高速铁路钢轨剩余寿命的预测模型;首先对特定线路上钢轨的动载弯曲应力、温度应力、残余应力进行计算,然后利用预测模型估算高速钢轨的疲劳剩余寿命,分析钢轨材料、列车速度系数、钢轨基础弹性系数对钢轨剩余寿命的影响。结果表明:相同营运条件下,U71Mn钢轨剩余寿命比PD3钢轨长;钢轨剩余寿命随列车速度系数的增加而降低,随钢轨基础弹性系数的增长而延长。

攀钢重轨钢初轧坯堆冷的除氢效果

用石腊油法测定了U71Mn重轨钢初轧坯中的可扩散氢和氢在钢中的扩散系数,并通过解剖经过堆垛缓冷的初轧坯,测定氢在断面上的分布结果表明,重轨钢坯中的氢绝大部分均为可扩散氢,室温下氢在U71Mn钢坯中扩散系数为(0.85—1.02)×10^(-6)cm^2/s初轧坯经堆冷后,含氢量大幅度下降,它有助于形成攀钢重轨无白点现象.

钢轨轨面堆焊温度场的数值模拟

基于有限元软件SYSWELD对U71Mn钢轨轨面堆焊温度场进行数值模拟,研究了预热、后热、预热+后热三种焊接工艺对焊接冷却时间(t8/5)的影响,并对焊接热影响区的组织进行观察,最后对模拟结果进行了试验验证。结果表明:预热、后热、预热+后热三种焊接工艺均能延长t8/5,预热+后热的效果最佳,后热的效果优于预热的;预热+后热工艺是防止出现淬硬组织和冷裂纹行之有效的措施;采用模拟得到的焊接工艺可以达到消除马氏体组织的目的,试验结果验证了模拟结果的准确性。

低温下铁路钢轨钢材断裂韧度KIC的试验研究

青藏铁路因常常经历-40℃以下的低温气候,对于钢轨钢材低温韧性的要求更为严格,因此低温下钢轨钢材安全性能的研究尤为重要。作者对青藏铁路常用的2种钢轨钢材U71Mn和U75V制作的标准三点弯曲试样进行一系列试验研究,对其在20℃、0℃、-20℃、-40℃以及-60℃环境温度下的断裂韧度KIC进行量测和计算,得到2种钢材断裂韧度随温度变化的基本规律。并结合试验分析结果,对这2种钢轨钢材断裂韧度KIC受温度以及化学成分的影响进行系统分析和讨论。研究结果可供相关专业设计人员参考。

动态感应加热消除轨面堆焊热影响区马氏体组织

采用动态感应加热的方法消除了U71Mn钢轨轨面堆焊后热影响区的马氏体组织.通过光学显微组织分析和显微硬度测试对马氏体组织的消除效果进行了识别.结果表明,U71Mn钢轨在冷焊的工艺下,热影响区内会产生裂纹,显微组织为马氏体组织.随着预热和后热温度的提高,马氏体组织的消除效果越加明显.当预热温度为320℃,后热温度为550℃时可以完全避免热影响区内马氏体组织的形成,生成比母材珠光体晶粒细小的索氏体组织,热影响区的硬度分布均匀.