基于挖掘机支重轮的等温淬火球铁耐磨性和有限元分析的研究

论文摘要

用等温淬火球铁（ADI）生产履带式挖掘机支重轮在等温淬火球铁的应用中是一个全新的尝试。由于支重轮的工作环境非常恶劣,磨损现象非常严重,因此对材料的强度、硬度以及耐磨性的要求比较高。迄今为止,还没有发现用ADI材料制造挖掘机支重轮的文献报导。本文通过实验和有限元分析,对ADI材料进行了比较系统的研究,证实了ADI生产支重轮的可行性,获得了适合生产支重轮的ADI材料的热处理工艺,为支重轮的实际生产提供一定的技术参考和理论依据。本文选定了奥氏体温度为900℃,奥氏体化时间为1.5h,等温淬火温度为260℃、310℃、360℃,等温淬火时间为2h的工艺参数来对牌号为QT500-7的球墨铸铁进行热处理以获得综合性能比较好的ADI材料。通过金相显微镜、扫描电镜和X衍射仪对其组织进行了定性和定量分析,研究了不同等温淬火温度对ADI组织、成分和力学性能的影响。采用MM-200磨损试验机和MLD-10型动载荷磨料磨损试验机对在不同等温淬火温度下获得的ADI材料和50Mn材料进行耐磨性对比试验,考察了硬度、残余奥氏体含量对ADI耐磨性的影响,并对ADI的磨损机理做了分析。在深入了解接触力学及有限元软件ANSYS的基础上对支重轮（ADI材料）在挖掘状态和行走状态下接触应力和等效应力进行了研究,从仿真角度揭示了ADI材料作为支重轮材料的可行性。结果表明:1.等温淬火温度对ADI组织成分和力学性能的影响比较显著。随着等温淬火温度的升高,ADI组织逐渐粗化,残余奥氏体量及其含碳量逐渐增加,而硬度和屈服强度逐渐减小。当等温淬火温度为260℃时,其组织为细针状的下贝氏体和残余奥氏体,残余奥氏体比较细小,不连续且包围着贝氏体条,硬度和屈服强度最大;当等温淬火温度变成360℃,组织为大量的板条状和羽毛状上贝氏体,残余奥氏体呈粗大连续状,硬度和屈服强度最小。2. ADI材料在干摩擦滑动磨损和冲击磨料磨损条件下的耐磨性均随着等温淬火温度的提高而下降,前者的磨损机制主要是粘着磨损,后者主要是冲击塑性变形磨损和微观切削。在冲击磨料磨损试验中,ADI材料的耐磨性随着冲击功的增大而增大。3.在磨损过程中,残余奥氏体发生加工硬化,发生了向马氏体转变的相变过程,并且残余奥氏体能松弛裂纹产生的应力集中,阻止了裂纹的萌生和扩展,提高了材料的耐磨性;但是残余奥氏体在不能充分加工硬化的条件下对耐磨性能不利;残余奥氏体呈薄膜状包围着针状贝氏体的奥-贝氏体组织要比残余奥氏体呈连续大块状、贝氏体组织粗大的奥-贝氏体组织要更耐磨。4.通过ANSYS有限元分析,并以有限元等效应力作为判别依据,计算结果表明ADI材料完全可以作为支重轮的生产材料,并且支重轮边缘处将最容易损坏。5.对于支重轮来说,在一般工况下,等温淬火温度在260℃-310℃区间的ADI材料可以代替50Mn材料作为支重轮的轮体材料,但如果工作条件非常恶劣,并且所受冲击载荷非常大时,应考虑上贝氏体ADI材料,并且使用ADI材料能使支重轮的重量降低10%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 等温淬火球墨铸铁简介
• 1.2 支重轮简介
• 1.3 ADI 的发展和应用
• 1.4 ADI 耐磨性的研究现状
• 1.5 ADI 的性能特点
• 1.6 本课题的研究意义及内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 试验内容及方法
• 2.1 材料的制备
• 2.1.1 球墨铸铁材料的选择
• 2.1.2 ADI 材料的热处理工艺参数的选择
• 2.2 组织结构分析及主要实验设备介绍
• 2.2.1 金相组织检验
• 2.2.2 残余奥氏体量及其含碳量的测定
• 2.3 力学性能试验及主要实验设备介绍
• 2.4 磨损试验及主要试验设备介绍
• 2.4.1 冲击磨料磨损试验
• 2.4.2 滑动摩擦磨损试验
• 2.5 分析软件介绍
• 2.6 材料耐磨性的表示方法
• 第三章 材料组织成分和力学性能的研究
• 3.1 金相组织分析
• 3.1.1 DI 金相组织
• 3.1.2 ADI 金相组织
• 3.2 残余奥氏体含量及其含碳量的测定
• 3.2.1 ADI 残余奥氏体含量的测定
• 3.2.2 ADI 残余奥氏体含碳量的测定
• 3.3 硬度的测定
• 3.4 ADI 冲击韧性研究
• 3.5 弹性模量以及屈服强度的研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 磨损试验结果及分析
• 4.1 磨损及支重轮磨损介绍
• 4.2 磨损的分类
• 4.2.1 磨料磨损
• 4.2.2 粘着磨损
• 4.2.3 表面疲劳磨损
• 4.3 磨损过程介绍
• 4.4 磨损试验及结果分析
• 4.4.1 滑动磨损
• 4.4.2 冲击磨损
• 4.5 结论
• 4.6 本章小结
• 第五章 ADI 支重轮接触应力的有限元分析
• 5.1 基于VB 的Solid Edge 二次开发原理
• 5.2 调用Solid Edge 的应用对象
• 5.3 履带式挖掘机支重轮等四轮直径的确定
• 5.4 理想光滑表面弹性接触的应力计算
• 5.5 Ansys 有限元软件接触分析
• 5.6 有限元模型建立
• 5.6.1 模型的建立
• 5.6.2 施加载荷和约束
• 5.6.3 计算方法
• 5.6.4 有限元结果
• 5.7 分析与结论
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论文
• 附录一 拉伸和冲击韧度试样
• 附录二 滑动磨损试样
• 附录三 冲击磨料磨损试样
• 致谢