高速列车车轴钢疲劳特性的初步研究

论文摘要

随着列车运行速度的提高,对铁道和列车的性能均提出了更高更严的要求。列车的车轴是其行走部分的重要构件,因此材料的综合力学性能尤其是疲劳性能不仅决定了列车可以运行的速度,还直接影响到列车运输的安全。目前由贵钢自主开发的EA4T车轴钢已经在高速重载机车上广泛使用。然而对该种材料的常温疲劳性能的研究却很少。本文在试验的基础上,对该材料的常温疲劳特性及淬火冷却温度场进行了研究。论文借助疲劳试验机、扫描电子显微镜等力学及微观测试方法,从EA4T钢的常规力学性能及显微组织、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率和门槛值以及EA4T钢的高周疲劳等方面对EA4T车轴钢开展了系统研究,通过研究得到车轴钢表面、R/2、心部不同部位先共析铁素体块的尺寸、含量等微观组织的区别。对车轴钢表面、R/2、不同部位的断裂韧性、裂纹扩展速率、高周疲劳性能的研究结果表明,车轴表面的疲劳性能、尤其是裂纹扩展速率、优于R/2处,并随距表面距离的增大力学性能逐步降低。本文分别从单调加载和循环加载两方面,研究了裂纹萌生及扩展的规律,并分析显微组织对疲劳性能的影响,提出了提高EA4T车轴钢疲劳寿命的途径。文章最后利用ANSYS软件对EA4T车轴钢进行了淬火瞬态温度场模拟,绘制了温度时间冷却曲线,并进行了实验验证,实验证明模拟数据与实际拟合程度较好,从而为今后的热处理工艺改进提供依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 列车车轴
• 1.2.1 列车车轴发展历史
• 1.2.2 车轴制造特点
• 1.2.3 车轴研究现状
• 1.3 车轴材料及热处理概况
• 1.4 国内车轴现状
• 1.5 EA4T车轴钢
• 1.6 课题来源、研究目的及意义
• 1.7 论文研究内容
• 第二章 EA4T钢的常规力学性能测试及显微组织分析
• 2.1 试验材料及热处理工艺
• 2.2 试验内容及方法
• 2.2.1 试样加工及试验方法
• 2.2.2 试验要求
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 试验结果
• 2.3.2 常规力学性能结果分析
• 2.4 显微组织分析
• 2.4.1 光学显微组织形态
• 2.4.2 原奥氏体晶粒尺寸测定与分析
• 2.4.3 铁素体块尺寸及数量测定
• 2.4.4 夹杂物分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 EA4T钢的断裂韧性测试
• 3.1 引言
• 3.2 试验条件及试样制备
• 3.2.1 试验条件
• 3.2.2 试样制备
• 3.3 试验内容及方法
• 3.3.1 疲劳预制裂纹
• 3.3.2 试验准备工作
• 3.3.3 断裂韧度试验步骤
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1 试验数据分析
• 3.4.2 剖面金相分析
• 3.4.3 断裂韧性断口分析
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 EA4T车轴钢延性断裂过程的研究
• 3.5.2 材料的晶粒尺寸、亚结构尺寸对断裂韧性的影响机制研究
• 3.6 本章小节
• 第四章 EA4T钢的疲劳裂纹扩展速率和门槛值测试
• 4.1 引言
• 4.1.1 疲劳裂纹扩展的力学条件
• 4.1.2 疲劳裂纹扩展微观机制
• 4.1.3 近门槛区扩展的微观机制
• 4.1.4 控制裂纹扩展的三个基本要素
• 4.2 实验材料及试样
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验条件
• 4.3 试验方法
• 4.3.1 长裂纹观测方法
• 4.3.2 门槛值测量:逐级降载法
• 4.3.3 长裂纹扩展速率的计算
• 4.4 EA4T车轴钢疲劳裂纹扩展速率和门槛值实验结果
• 4.5 实验结果分析
• 4.5.1 实验结果分析
• 4.5.2 试样金相分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 EA4T钢的高周疲劳性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验要求及试样加工
• 5.2.1 试验要求
• 5.2.2 试样尺寸
• 5.2.3 试样的加工要求
• 5.3 试验内容及方法
• 5.3.1 试验设备和实验条件
• 5.3.2 试验方法
• 5.4 试验结果及分析
• 5.4.1 试验结果及数据处理
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 EA4T车轴钢温度场模拟
• 6.1 前言
• 6.1.1 淬火过程的计算机模拟的现状
• 6.1.2 淬火工件温度场的计算机模拟
• 6.1.3 传热学基本原理
• 6.1.4 换热系数的处理
• 6.1.5 带相变的耦合温度场计算
• 6.2 材料热物性参数的选择
• 6.3 模拟计算结果
• 6.3.1 建模与网格划分
• 6.3.2 加载与求解设定
• 6.3.3 模拟计算结果及分析
• 6.4 模拟结果验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 主要结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录