高碳贝氏体轴承钢滚动接触疲劳性能的研究

以GCr15Si1Mo贝氏体轴承钢为研究对象,在油润滑条件和无润滑条件下,对不同初始碳化物体积分数的试样进行滚动接触疲劳试验,采用扫描电镜观察试验前后试样的表面形貌和碳化物分布,并通过Weibull曲线确定试样滚动接触疲劳性能的优劣性。结果表明,在无润滑条件下,碳化物体积分数为1.9%的试样滚动接触疲劳性能优于碳化物体积分数为5.1%的试样。在油润滑条件下,贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳性能的优劣性依次为：无初始碳化物试样、碳化物体积分数为5.1%试样、碳化物体积分数为1.9%试样。碳化物作为基体的硬质相,很容易成为疲劳源,无初始碳化物的贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳性能优于有碳化物的贝氏体轴承钢;碳化物脱落后的凹坑增大了润滑油和试样表面的粘着力,有利于增加油膜厚度,从而提高滚动接触疲劳寿命。     

等温淬火时间对铁道机车用SAE8620轴承钢接触疲劳性能的影响

将表面渗碳处理的SAE8620轴承钢在855℃奥氏体化后,在225℃盐浴中进行等温淬火处理,再在225℃下进行回火处理,研究了等温淬火时间(7,21 h)对试验钢显微组织、物相组成、硬度和接触疲劳性能的影响。结果表明：等温淬火7 h时试验钢表层组织为贝氏体铁素体、残余奥氏体、马氏体和碳化物,等温淬火21 h后表层组织中的马氏体消失,贝氏体板条平均宽度增加,针状贝氏体铁素体含量增加,残余奥氏体含量减少;与等温淬火21 h相比等温淬火7 h试验钢的表层硬度更大,接触疲劳寿命也更长,这主要与其表层残余奥氏体含量更高、贝氏体板条平均宽度更小、表层硬度更大,可以更好地抵抗塑性变形有关。     

水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响

为探究水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响,利用滚动接触摩擦磨损试验测试不同转速下车轮试样的剥离寿命、摩擦因数和磨损率,并结合磨损形貌和裂纹扩展形貌观察,对比分析不同转速下摩擦磨损和剥离寿命的影响因素。结果表明:随转速提高,车轮材料氧化程度加剧,导致摩擦因数逐渐增加;当转速由250 r/min增至500 r/min时,摩擦因数增幅较小,应变速率增加导致磨损率下降,当转速由500 r/min增至1000 r/min时,摩擦因数急剧增加,导致材料磨损率增加;随转速提高,剖面塑性流动层厚度、裂纹扩展角度、裂纹分叉深度和最大扩展深度均呈现减小趋势。转速增加带来的摩擦因数的增加,一方面缩短裂纹萌生寿命,另一方面减小了裂纹发生向上转折的深度,最终导致滚动接触疲劳寿命随转速的增加而减小。     

碳氮共渗对马氏体钢轴承内圈接触疲劳寿命和失效机理的影响

对GCr15马氏体钢轴承内圈分别进行常规热处理和碳氮共渗+深冷+回火处理(简称碳氮共渗处理),通过对比研究了碳氮共渗对试验钢接触疲劳寿命及失效机理的影响。结果表明：碳氮共渗处理内圈试样中的碳化物比起常规热处理内圈试样更加均匀、弥散、细化,表面显微硬度和残余应力均显著提高;碳氮共渗处理内圈试样的额定寿命L₁₀,特征寿命L_63.2和中值寿命L₅₀分别约为常规热处理内圈试样的5.3倍,6.7倍和6.6倍;常规热处理和碳氮共渗处理内圈试样的接触疲劳失效损伤机理均为剥落,碳氮共渗处理后的亚表面裂纹萌生位置更深,亚表面二次裂纹的萌生与主裂纹的扩展得到抑制,抗接触疲劳性能得到提升。     

轴承钢的短时低温渗碳

AISI52100钢是一种淬透性良好的高碳轴承钢(类似我国GC_r15钢),为了提高滚动接触疲劳寿命,可以在低于溶解所有碳化物的温度下,进行短时低温渗碳处理。 在生产中,球化退火的52100钢在825—850℃经30—60分钟的奥氏体化,溶解40—60％的球状碳化物,以便在碳化物和奥氏体之间达到碳的平衡分布。那么,有效地达到碳平衡所需的时间     

超级贝氏体组织中残余奥氏体的TRIP效应研究

针对超级贝氏体组织中残余奥氏体的应力诱发相变及对钢的力学性能影响,设计试验钢60Mn2SiCr,经900 ℃完全奥氏体化保温30 min,在260 ℃盐浴炉中等温处理12 h后,将试样在疲劳试验机上进行加载试验;利用扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM)、透射电镜(Transmission electron microscope, TEM)、X射线衍射仪(X-ray diffracmeter, XRD)和拉伸试验机等仪器设备对加载前后的样品,分别进行显微组织形貌观察和相组成的定性定量检测分析以及力学性能测试;结果显示,等温处理后样品的显微组织为超级贝氏体(贝氏体铁素体BF+残余奥氏体AR),残余奥氏体体积分数为9.4%,其含碳量为1.296%;经加载后试样显微组织中残余奥氏体体积分数下降至6.1%,含碳量达1.439%;钢的强塑积提高近20%。这说明等温处理获得超级贝氏体组织的钢,经施加载荷给予应力作用,显微组织中残余奥氏体发生转变,即超级贝氏体组织中的残余奥氏体能够通过相变诱发塑性(Transformation induced plasticity, TRIP)效应的产生,提高钢的力学性能。     

热处理工艺对45~#钢抗苜蓿草粉磨损性能的影响

苜蓿草粉对环模系统的磨粒磨损是造成饲料制粒机关键部件失效的主要原因。为提高环模系统关键部件材料的抗磨粒磨损性能,采用不同热处理工艺对45~#钢热处理,在磨粒磨损试验机上考察其抗苜蓿草粉的磨损行为,用金相显微镜对试样的金相组织进行分析研究,用扫描电镜对试样摩擦表面的磨损形貌进行观察研究。结果表明:经淬火处理后45~#钢的磨损主要表现为显微切削和机械抛光,未见明显的塑性疲劳;当材料的硬度提升至一定值时,通过硬度与韧度的合理配合可获得较好的抗植物磨料磨损性能;相对于常温淬火,45~#钢亚温淬火后抗植物磨料磨损性能明显提升。     

预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响

对含缺陷的未预滚压和预滚压车轮钢试样分别进行滚动接触疲劳试验,观察表面缺陷的形貌变化过程,分析预滚压和缺陷尺寸对轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。通过有限元方法分析缺陷附近材料的应力状态,通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响。试验结果表明:由于表层材料的塑性变形,未滚压车轮试样的缺陷尺寸随滚动周次的增加而减小;超过一定周次后,由于塑性变形不再累积,缺陷尺寸基本保持不变;预滚压处理通过减小表层材料的塑性变形,可抑制缺陷尺寸的减小,从而降低车轮试样的疲劳寿命;缺陷尺寸的增加会进一步降低预滚压试样的疲劳寿命;在油润滑条件下,预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。仿真结果表明,当缺陷尺寸从200μm增加至400μm,最大剪应力幅值从缺陷底部转移至缺陷中部,疲劳裂纹萌生位置也随之改变。     

热处理工艺对45＃钢抗苜蓿草粉的磨损性能影响

苜蓿草粉对环模系统的磨粒磨损是造成饲料制粒机关键部件失效的主要原因。为提高环模系统关键部件材料的抗磨粒磨损性能,采用不同热处理工艺对45#钢热处理,在磨粒磨损试验机上考察其抗苜蓿草粉的磨损行为,用金相显微镜对试样的金相组织进行分析研究,用扫描电镜对试样摩擦表面的磨损形貌进行观察研究。结果表明：经淬火处理后45#钢的磨损主要表现为显微切削和机械抛光,未见明显的塑性疲劳;当材料的硬度提升至一定值时,通过硬度与韧度的合理配合可获得较好的抗植物磨料磨损性能;相对于常温淬火,45#钢亚温淬火后抗植物磨料磨损性能明显提升。     

32Cr3MoVE渗氮轴承钢的高应力滚动接触疲劳性能

对采用双真空熔炼制备的32Cr3MoVE轴承钢进行表面渗氮处理,利用滚动接触疲劳试验机在4.5GPa高应力下研究其滚动接触疲劳性能,分析其滚动接触疲劳破坏机制。结果表明:试验钢的有效渗氮层深度为350μm,随距表面距离的增大,渗氮层残余压应力呈先增大后减小趋势,距表面300μm处的残余压应力最大,为610 MPa;渗氮层中存在沿晶界分布的白色脉状组织;利用双参数Weibull分布计算得到其滚动接触疲劳特征寿命、额定疲劳寿命、中值疲劳寿命分别为3.040×10~8,0.357×10~8,2.083×10~8周次;试验钢的滚动接触疲劳破坏模式包括表面起裂和次表面起裂两种,表面起裂试样剥落坑的平均直径及深度均明显大于次表面起裂试样的;表面起裂试样沿表面点蚀坑或划痕处起裂,次表面起裂试样在长时间循环接触应力作用下,次表面材料性能退化,导致裂纹萌生。     

重载条件下PD3淬火钢轨磨损机制试验研究

在赫兹模拟准则前提下,使用轮轨模拟试验机研究不同轴重下PD3淬火钢轨在重载和轻载工况下的滚动摩擦磨损性能。利用韦氏硬度仪、光学显微镜、SEM等分析试样试验后的硬度变化、塑性变形以及微观组织损伤等。试验结果表明:随着轴重的增加,试样磨损量大幅度增加,材料表面塑性变形更严重;试验后试样表面硬度均显著提高,且重载工况下产生了塑性变形型波磨,波峰及波谷处的硬度均高于轻载工况;重载下试样所受应力较大,内部组织破坏严重,裂纹扩展以产生二次甚至多次裂纹为主要形式,其中贯穿到表面的裂纹最终导致表面材料剥离掉落,而轻载下裂纹规整且多数以一根主裂纹形式沿着塑性变形流动方向扩展。轻载和重载下试样损伤形式均主要为滚动接触疲劳。     

固溶处理后7055铝合金的摩擦磨损性能

对7055铝合金分别进行单级固溶、双级固溶和高温预析出等固溶处理,测量不同固溶处理后试样的硬度,以及采用不同目数砂纸打磨后试样的表面粗糙度。以GCr15钢球为对偶件,采用摩擦磨损试验机研究不同目数砂纸打磨后试样的摩擦学性能,采用扫描电镜对磨痕形貌进行分析,探讨7055铝合金的磨损机制。结果表明:双级固溶处理(240℃×2 h+480℃×2 h)得到的试样性能最好,其硬度最高,表面粗糙度值较低,摩擦因数最低;而高温预析出处理(480℃×2 h+240℃×2 h)得到的试样性能最差;固溶处理后试样硬度越大,摩擦因数越低,而表面粗糙度与摩擦因数呈现出非线性关系,表面粗糙度在0.35～0.5μm之间时试样的摩擦因数最低。表面粗糙度较高时,7055铝合金在干摩擦时主要发生黏着磨损、磨料磨损和表面疲劳磨损,表面粗糙度较低时,主要发生黏着磨损和疲劳磨损。     

铸态含无碳化物贝氏体中锰钢

中锰钢（含1.0%～1.8%C,5.0%～9.0%Mn,0.6%～1.5%Si）在铸态下即可得到无碳化物贝氏体相。在冷却的过程中,当冷却速度大于40℃/min时,室温组织为奥氏体与碳化物;当冷却速度小于20℃/min时,室温组织为无碳化物贝氏体、珠光体、奥氏体与碳化物。无碳化物贝氏体主要是在624～200℃之间形成。在砂型中浇注壁厚大于15mm的铸件时,即可行到大量无碳化物贝氏体,该铸钢具有较佳的硬度,韧度与耐磨性。     

局部堆焊修复U75V钢轨的滚动接触磨损特性

对未堆焊和局部堆焊U75V钢轨试样进行干态+湿态两阶段连续滚动接触磨损试验，对比分析了2种钢轨试样的滚动接触特性及磨损行为。结果表明：2种钢轨试样的黏着系数在干态磨损阶段都在0.60左右，进入湿态磨损阶段急剧下降至0.25左右；干态磨损阶段局部堆焊钢轨试样的黏着系数略高于未堆焊钢轨试样，湿态磨损阶段则相反。局部堆焊钢轨试样的堆焊层主要由马氏体组成，硬度最高，磨损表面损伤轻微，未发现明显裂纹与塑性变形；热影响区由铁素体、珠光体与马氏体等组织组成，硬度居中，磨损后表面粗糙度最大，塑性变形较大且出现较多大角度扩展的裂纹；无堆焊区主要由珠光体组成，硬度最小，磨损后表面平坦，塑性变形较明显，出现少量裂纹。     

水润滑条件下速度对车轮钢磨损特性的影响

在JD-1轮轨模拟试验机上,利用赫兹模拟准则研究了水润滑条件下速度对车轮钢滚动磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜等分析了车轮钢磨损表面的变化情况.结果表明:随速度的增加,车轮钢试样磨损量呈现减小的趋势,滚动接触表面间润滑状态从边界润滑转变为部分弹流润滑;车轮钢磨损机制主要由微切削、微断裂磨损向轻微塑性变形磨损转变.     

高强韧性奥氏体—贝氏体双相钢接触疲劳特性

考察了新型高强韧性奥氏体-贝氏体组织的低合金超高强度钢(简称奥-贝钢)的接触疲劳性能,并与20CrMnTi钢碳、氮共渗淬火回火组织进行对比研究;探讨了钢的组织结构及力学性能与接触疲劳性能的关系,提出了获得高接触疲劳性能要求的组织、性能合理匹配。研究结果表明,奥-贝钢280℃等温形成的硬度只有HRC50～52的奥-贝组织接触疲劳寿命是硬度HRC58～62的回火马氏体组织和20CrMnTi钢碳氮共渗淬火回火组织的2～4倍,奥-贝钢具有优异的抗接触疲劳性能。     

锻压温度对新型汽车模具钢性能的影响

采用不同始锻和终锻温度对4Cr5MoSiV1Sr1W1新型汽车模具钢进行锻压试验,并进行磨损性能和热疲劳性能的测试与分析。结果发现,与始锻温度1 050℃相比,1 125℃始锻时4Cr5MoSiV1Sr1W1模具钢的磨损体积减小40. 5%、热疲劳裂纹级别减小55. 6%;与终锻温度850℃相比,900℃终锻时模具钢的磨损体积减小36.7%、热疲劳裂纹级别减小50.0%。为了提高4Cr5MoSiV1Sr1W1新型汽车模具钢试样的抗磨损性能和热疲劳性能,优化后始锻温度和终锻温度分别选为1 025℃和900℃。     

中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响

为研究戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响，采用风沙环境双盘滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验。结果表明，戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下，随着钢轨硬度增加，平均黏着系数均无显著变化，车轮磨损率均先减小后增加，但钢轨磨损率在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下分别呈下降和上升趋势；这两种中等强度沙尘暴环境下，车轮的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损，且车轮氧化磨损随着钢轨硬度的增加而逐渐加剧，而钢轨的磨损机制主要为疲劳磨损；随着钢轨硬度的增加，这两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨剖面裂纹深度总体均呈下降的趋势，表明钢轨的疲劳损伤随着钢轨硬度的增加而逐渐减轻；由于疲劳损伤对轮轨运行安全的影响比磨损更大，综合考虑钢轨材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。     

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。