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《西南交通大学》 2017年
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高速铁路车轮钢磨损和滚动接触疲劳性能的改善方法研究

曾东方  
【摘要】:车轮是铁路车辆关键部件之一。随着高速铁路的快速发展,我国在高速列车的研究和开发方面取得了很大进步。2016年已成功研发中国标准动车组,且动车组的大部分部件已实现国产化。但是,目前所有的动车组车轮依然依赖进口。铁路车轮是损耗件,高铁车轮的使用寿命约为3年,每片车轮的费用高达2万人民币。如果实现高铁车轮国产化,其使用费用将大幅下降。车轮损伤主要可分为:磨损、机械应力引起的滚动接触疲劳和热疲劳。考虑到钢轨波磨和车轮不圆度,轮轨接触力随着列车速度的增加而显著增加。这导致车轮发生源于次表面夹杂物接触疲劳的风险显著增加。此外,车轮踏面发生马氏体相变的可能性随着列车运行速度的增加而增加,这可能导致车轮发生热疲劳损伤。因此,有必要对高速铁路车轮钢磨损和滚动接触疲劳性能的改善方法进行研究。研究成果对我国高速列车的车轮材料开发和可靠性设计具有重要现实意义。受高速铁路基础研究联合基金(U1134202)、长江学者和创新团队发展计划(IRT1178)、2014年西南交通大学博士研究生创新基金和中央高校基本科研业务专项资金资助,本论文研究了一种改进型高速铁路车轮钢的磨损和接触疲劳性能,分析了组织和表面处理对车轮钢磨损和滚动接触疲劳性能的影响。同时,提出了车轮中夹杂物尺寸对车轮次表面疲劳和深层疲劳影响的定量评估方法。本论文的主要研究内容和获得的结论如下:(1)改进型HiSi车轮钢强韧匹配的研究究最近,科研人员在传统ER8车轮钢的基础上通过合金化设计,开发出一种改进型的HiSi车轮钢。本研究调查了 HiSi车轮钢在不同轮辋深度下组织和力学性能。与传统ER8车轮钢相比,HiSi车轮钢在提高强度的同时不降低冲击韧性。HiSi车轮钢通过固溶强化和细化珠光体片层距提高其强度,通过增加铁素体含量提高其冲击韧性。远离车轮表面材料的珠光体片层距较大,铁素体含量较高,因此材料的硬度较低;远离车轮表面材料的珠光体片层距和球团尺寸均较大,因此材料的冲击韧性较低。(2) HiSi车轮钢磨损和接触疲劳性能研究与ER8车轮钢相比,ER9车轮钢、HiSi车轮钢和0.07V车轮钢分别通过加碳、固溶强化和析出强化提高材料强度。本研究调查了不同强化机制对车轮钢抗磨损性能的影响。研究结果表明,加碳和固溶强化都能提高车轮钢的抗磨损性能,而析出强化导致车轮钢抗磨损性能下降。车轮钢的抗磨损性能由磨损面硬度决定,而磨损面硬度受材料基体硬度和应变硬化行为共同影响。按照提高基体硬度的程度对三种强化机制按从大到小进行排序,依次为固溶强化、加碳和析出强化。加碳可提高材料应变硬化程度,而固溶强化和析出强化均降低材料的应变硬化程度,其中析出强化车轮钢的应变硬化程度下降最明显。固溶强化和析出强化提高了车轮钢的先共析铁素体含量,降低了先共析铁素体的延展性,从而降低了磨损面的应变硬化程度。本研究还调查了 HiSi车轮钢的表面接触疲劳和热疲劳性能。通过在实验室条件下模拟车轮和钢轨的滑动过程,成功在车轮试样表面生成马氏体白层,然后从材料相变的角度对比分析了 HiSi和ER8车轮钢的抗白层形成能力。结果表明,HiSi车轮钢通过提高Si含量,提高了材料的相变点,从而改善了材料的抗白层形成能力。通过滚动接触疲劳试验和有限元分析,调查了含有白层和未含白层的HiSi和ER8车轮钢的抗接触疲劳性能。结果表明,马氏体白层显著降低车轮钢的抗接触疲劳性能。无论车轮钢的表面是否存在白层,HiSi车轮钢的抗接触疲劳性能均优于ER8车轮钢。(3)激光离散处理对车轮钢磨损和表面接触疲劳性能影响的研究本研究使用激光离散处理提高车轮钢的抗磨损和抗表面接触疲劳性能。激光离散处理可在材料表面加工出离散的硬化点,硬化点由细晶马氏体和残余奥氏体组成,其平均硬度为762 HV。本研究调查了激光离散处理后,车轮钢的抗磨损和抗表面接触疲劳性能。结果表明,激光处理区抑制了车轮试样表面的塑性变形,从而抑制了剥层磨损,延迟了滚动接触疲劳裂纹的萌生。激光离散处理后,车轮钢的抗磨损性能提高了3倍,抗疲劳性能提高了 2倍。(4)微观夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的影响研究次表面疲劳和深层疲劳是铁路车轮最危险的两种损伤形式。这两种损伤均与车轮内部的最大夹杂物密切相关。因此,本研究提出一种评估车轮钢内部最大微观夹杂物的新方法,并分析微观夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的影响。本研究通过在水冷条件下对预处理后的具有较大危险体积的试样进行超声疲劳试验,成功在断口上获取试样内部的最大夹杂物尺寸。分析表明,与传统镜检法相比,该方法速度快精度高。基于本研究提出的夹杂物评估方法和极值统计法,预测了车轮危险体积内的最大夹杂物尺寸。在此基础上,基于断裂力学理论分析夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的定量影响。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U270.33

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 吴斯;李秀程;张娟;尚成嘉;;Nb对中碳钢相变和组织细化的影响[J];金属学报;2014年04期
2 陈刚;江波;王世付;钟斌;李翔;赵海;任学冲;;出口铁路货车用40t轴重高硬度车轮生产实践[J];机车车辆工艺;2014年01期
3 江波;陈刚;王世付;钟斌;李翔;赵海;章静;;35~40t轴重Si-Cr合金化重载车轮新材料研制[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2013年04期
4 邵肖静;王新华;姜敏;王万军;黄福祥;冀云卿;;加热过程中硫系易切削钢中Mns夹杂物行为的动态原位观察[J];金属学报;2011年09期
5 王文健;刘启跃;;轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施研究[J];中国铁道科学;2009年04期
6 张曙光;顾建国;;中国高速车轮自主创新思路及设想[J];铁道车辆;2009年03期
7 孙淑华,张振戎,熊毅,吕知清,厉勇,傅万堂,牧正志;锰和硅添加对重度冷轧及退火后珠光体钢力学性能的影响[J];机械工程学报;2005年05期
8 苏航,季怀中,张永权,杨才福,刘彤;高速列车车轮钢摩擦热致相变的计算机模拟[J];金属学报;2004年09期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王荣;王优;崔月;高浩;;配分工艺对B/M复相钢组织和性能影响[J];材料热处理学报;2017年11期
2 房明;孙建红;余元元;王从磊;周飞;侯斌;;火箭橇系统的摩擦力分析与计算[J];航空动力学报;2017年11期
3 田俊;王德永;屈天鹏;苏丽娟;鄂欣蕊;;钙、镁在含硫钢中硫化物变性过程中的作用[J];钢铁;2017年11期
4 王谊清;李辉;;核电设备用碳钢和低合金钢的断裂韧性设计的研究[J];中国新技术新产品;2017年19期
5 张拓;曹静;滕铝丹;杨弋涛;;Nb对中铬耐磨铸钢组织及力学性能的影响[J];铸造;2017年10期
6 郭靖;郭汉杰;方克明;段生朝;石骁;杨文晟;;钢中第二相粒子形貌预报理论和检测方法[J];金属学报;2017年07期
7 闻玉辉;朱国明;郝亮;戴思雨;康永林;;Nb-Ti微合金化热冲压成形用钢的微观组织与力学性能[J];工程科学学报;2017年06期
8 孔纲强;孙广超;刘汉龙;顾红伟;;不同激振频率下现浇X形桩桩-筏复合地基模型试验研究[J];岩土力学;2017年05期
9 梁宇;向嵩;梁益龙;杨明;魏泽民;熊虎;李静;;原奥氏体晶粒尺寸对珠光体钢组织及韧性的影响[J];材料导报;2017年02期
10 邹强;赵海;宫彦华;张晓峰;毕军华;;马钢高端车轮的开发与质量控制技术[J];安徽冶金;2016年03期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吴斯;李秀程;尚成嘉;韩建生;王群娣;;工艺因素和组织对高速动车车轮断裂韧性的影响[J];材料热处理学报;2012年07期
2 夏云进;王福明;王金龙;赵晶;;氧含量对易切削钢中硫化物生成行为的影响[J];北京科技大学学报;2010年10期
3 邵肖静;王新华;王万军;黄福祥;姜敏;;硫化锰夹杂物在YF45MnV钢中行为的原位观察[J];北京科技大学学报;2010年05期
4 迟宏宵;马党参;刘建华;陈再枝;雍岐龙;;不同Nb-V含量对Cr8型冷作模具钢微观组织和力学性能的影响[J];金属学报;2010年02期
5 潘涛;李丽;马跃;江波;崔银会;苏航;;抗剥离车轮钢的合金设计及Si元素对抗剥离性能的影响[J];钢铁;2009年08期
6 陈列;陈伟庆;肖飞虎;;Y15高硫易切削钢氧含量与硫化物形态控制工艺[J];特殊钢;2008年04期
7 陈明;刘钢;张晓辉;沈中;杨贵军;;新型低碳硫系易切削钢切削性能试验[J];机械工程学报;2007年09期
8 朱昌逑;江波;安涛;陈刚;崔银会;;铁路重载货车车轮新材料的研制[J];钢铁;2007年08期
9 严国安;秦哲;田志红;孙彦辉;蔡开科;;中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制[J];北京科技大学学报;2007年07期
10 李艳梅;朱伏先;崔凤平;房轲;;中厚钢板分层缺陷的形成机制分析[J];东北大学学报(自然科学版);2007年07期
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