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.     

钢轨表面宽带激光淬火工艺及其疲劳磨损性能

针对目前钢轨强化采用的欠速淬火方法存在强化层硬度偏低、耐磨性难以满足重载线路使用要求的问题,使用3种不同光斑宽度的激光,研究了U71Mn材质钢轨的激光淬火强化工艺,获得了不同扫描速度下的临界功率和淬火层深,并测试了淬火层在滚动接触条件下的磨损与接触疲劳性能。结果表明:在临界熔化的激光能量密度下,光斑宽度由6mm增加到20mm时,淬火层深度提高了38%,或在获得相同的淬火层深度情况下,处理效率提高6.8倍;淬火层组织为针状马氏体,硬度从原来的300HV提高到800HV以上;20万周次的磨损试验后,激光淬火试样的磨损量只有未处理试样磨损量的25%,未处理试样以表面接触疲劳剥落和塑性变形为主,激光淬火试样仅有轻微的疲劳磨损,耐磨性和抗接触疲劳性能优异。     

[表面强化及损伤机理]钢轨表面宽带激光淬火工艺及其疲劳磨损性能

针对目前钢轨强化采用的欠速淬火方法存在强化层硬度偏低、耐磨性难以满足重载线路使用要求的问题,使用3种不同光斑宽度的激光,研究了U71Mn材质钢轨的激光淬火强化工艺,获得了不同扫描速度下的临界功率和淬火层深,并测试了淬火层在滚动接触条件下的磨损与接触疲劳性能。结果表明：在临界熔化的激光能量密度下,光斑宽度由6 mm增加到20 mm时,淬火层深度提高了38%,或在获得相同的淬火层深度情况下,处理效率提高6.8倍;淬火层组织为针状马氏体,硬度从原来的300HV提高到800HV以上;20万周次的磨损试验后,激光淬火试样的磨损量只有未处理试样磨损量的25%,未处理试样以表面接触疲劳剥落和塑性变形为主,激光淬火试样仅有轻微的疲劳磨损,耐磨性和抗接触疲劳性能优异。     

次摆线齿条激光淬火的温度场仿真分析

激光淬火作为一种适用于精密齿条的热处理技术,具有表面硬度高、硬化层分布均匀、变形极小等优良的加工效果。针对次摆线齿条的齿面激光淬火过程,采用有限元仿真对激光淬火过程中的温度场进行分析。首先建立了沿次摆线齿条齿面轴向扫描的激光淬火模型,从而得到齿面热流密度分布;其次运用ANSYS有限元软件计算得到淬火过程中温度分布情况;最后将不同的齿面位置及激光参数的淬火温度场仿真结果进行对比。研究结果表明:次摆线齿条齿面的淬火温度、冷却速度、淬火深度等均满足淬火要求;激光入射角对淬火温度影响较小;激光功率和扫描速度对淬火温度影响效果相反,其中激光功率的影响起主导作用。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

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。     

PD3与U71Mn钢轨材料微观与宏观磨损性能分析

采用纳米压痕划痕仪与AFM,研究PD3与U71Mn钢轨微观力学性能与摩擦磨损特性,通过拉伸实验和JD-1轮轨模拟试验机研究2种钢轨的宏观力学特性与摩擦磨损性能。结果表明:2种材料力学性能在微观和宏观表现一致,即PD3钢轨硬度较大、抗压能力强,具有良好的抗磨损能力;U71Mn钢轨塑性高、韧性大,具有良好的抵抗疲劳的能力。微观实验结果显示,2种钢轨在载荷不大时都以磨粒磨损为主,随载荷增大,交变应力作用增强,受疲劳影响PD3钢轨划痕两侧出现沟纹;U71Mn划痕损伤在犁沟摩擦力作用下,产生塑性变形。微观与宏观实验结果具有一致性,对2种钢轨磨损特性的测量误差在5%之内,因此在一定程度上可以用微观实验来代替宏观实验研究钢轨材料的摩擦磨损特性。     

借助梯度涂层进行ZGMn13钢与U71Mn钢的焊接性研究

介绍了在ZGMn13钢和U71Mn钢表面进行等离子弧堆焊获得梯度过渡层后,利用闪光焊方法将两者对焊。ZGMn13钢热影响区碳化物的析出和热裂纹的形成受到抑制,U71Mn钢热影响区内无马氏体出现,焊接接头的各项力学性能优异。表明,利用等离子弧堆焊结合闪光对焊工艺方法是实现ZGMn13钢辙叉和U71Mn钢钢轨焊接的有效方法。     

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。     

铝合金淬火过程的三维温度场模拟

建立了7050铝合金淬火过程的仿真模型,基于Deform-3D有限元软件对淬火过程的三维温度场进行了仿真模拟,得到铝合金试样各部位在不同时刻的温度变化和温度场分布规律。仿真过程计算速度快,计算结果可靠,可为进一步的淬火工艺优化提供指导。     

钢轨材料对滚动接触疲劳影响及高速铁路选轨研究

使用JD-1型轮轨模拟试验机针对淬火和热轧的PD3和U71Mn四种钢轨试样进行模拟试验,采用赫兹接触理论在实验室条件下模拟轮轨试样间的摩擦相互作用过程与现场中的相似.利用机械式光电分析天平通过称重法测量钢轨试样的磨损量,使用光学显微和扫描电子显微镜对钢轨滚轮试样进行微观分析,对高速铁路的钢轨选择提供依据.结果表明,材料硬度越高,磨损量越小,磨损面附近塑性变形层越薄,抗磨损性能越好,但高硬度材料裂纹扩展较深,疲劳损伤严重.硬度略低的材料,磨损量大,磨损面附近塑性变形明显,但由于部分刚萌生的微裂纹被磨去,疲劳损伤较为轻微.高速钢轨损伤主要以疲劳为主,U71Mn热轧钢轨有较好的抗疲劳性能,更适合于高速铁路铺设使用.     

不同钢轨材料棘轮行为试验研究

棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一,分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律,对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同,开展了循环塑性变形行为试验研究,讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示:在试验涉及的四种钢轨材料中,热处理U78Cr V和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度;当棘轮应变初始值相近时,热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨;当峰值应力相同时,强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大,疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低,且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。     

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。     

基于ANSYS的18CrNi8齿轮激光淬火温度场分析

针对重载汽车大模数齿轮的表面激光淬火工序,进行ANSYS有限元温度场分析。主要有三维模型的建立、载荷的施加方法、移动热源命令流编写、纵切面温度分布处理、硬化层深度确定等。综合应用ANSYS的后处理方法,分析了加工中热流的流动情况、热源扫描路线表面的代表性节点和沿深度方向节点的温度变化、以及激光光斑前后表面温度差别较大的原因(暂称为"热流堆积效应")及解决方案。分析结果表明对齿轮齿面进行激光淬火可以达到较好效果,并通过试验验证了模拟结论。     

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。     

磨削淬火技术的温度场分析和材料相变研究

磨削淬火技术是利用磨削热对工件表面进行热处理 ,使工件表层发生马氏体相变 ,达到与表面强化处理一样的性能。通过对温度场的分析和材料相变的研究 ,发现利用计算机仿真磨削淬火温度场 ,不仅可以节省大量分析时间和试验费用 ,而且可以利用磨削温度场仿真技术 ,通过选择不同的工艺参数来预测和控制相变层厚度     

高速重载线路钢轨损伤特性分析

结合广深线钢轨斜线状裂纹损伤特性分析,对比分析了高速与重载线路钢轨的损伤差异。结果表明:重载线路钢轨主要以磨损和塑性变形为主,而高速线路钢轨主要表现为疲劳损伤,无明显的塑性变形发生;U71Mn钢轨的含碳量低,具有较好的韧性,相比PD3钢轨,U71Mn更适于铺设于高速轻载线路。     

U71Mn重轨轨头淬火应力场及其影响因素研究

利用有限元分析软件对U71Mn重轨轨头淬火过程中的应力场进行数值模拟,并对影响其分布的各种因素进行研究。结果表明,准确选择淬火时加热、保温时间和风冷时的压强,能显著降低轨头的淬火应力,对U71Mn重轨轨头热处理中相关参数的选择具有重要的指导意义。