两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究

研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性. 结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区. 母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝区为珠光体与先共析铁素体且正火后铁素体含量较多,热影响区淬火后为粒状珠光体而正火后存在少量片层状珠光体. 焊接接头不同区域硬度大小为母材区>淬火焊缝区>正火焊缝区>正火热影响区>淬火热影响区. 硬度越低的区域,冲击深度和磨损体积越大. 母材区冲击损伤轻微,表面呈轻微剥落;焊缝区损伤较严重,出现明显裂纹且正火后损伤较淬火后严重;热影响区损伤最为严重且正火后损伤较淬火后略轻微.      

球化退火态重载车轮钢CL70磨损性能及组织演化

对CL70重载车轮钢进行球化退火获得球状珠光体组织. 将组织为片状珠光体和球状珠光体的CL70分别与U75V钢轨钢在滚动摩擦磨损试验机上以相同参数进行干摩擦纯滚动试验. 使用称重法测量磨损量、利用带电子背散射衍射附件的扫描电子显微镜及显微硬度计对两种组织形态的试样运行表面进行组织及硬度变化情况的观察与分析. 结果表明:球状珠光体组织磨损性能不及片状珠光体组织. 二者的磨损机制和强化机制不同，片状珠光体组织以疲劳磨损为主，通过塑性变形和晶粒不断细化至纤维状再到纳米晶，位错不断累积并达到良好的强化效果. 球状珠光体组织以黏着磨损为主，只有铁素体和少量渗碳体变形和碎化，硬度提升主要来自于渗碳体颗粒周围的位错集中，硬化效果较差.      

U71MnK钢轨焊缝滚动接触磨损性能研究

对U71Mn K钢轨焊缝及母材在滚动接触疲劳条件下进行模拟试验,对比研究了钢轨焊缝及母材在滚动接触过程中的材料磨损演变行为.结果表明:以U71Mn K为基材的钢轨焊缝部位与非焊缝部位的磨损性能及组织结构在磨损前后均存在显著差异.由于组织结构和力学性能的差异,焊缝区硬度低于非焊缝区,焊缝区摩擦系数、磨损量、磨损率均大于非焊缝区.与非焊缝区相比,钢轨焊缝区容易产生犁沟乃至波磨,表面粗糙度增大,剥落损伤、裂纹、塑性变形严重,磨损性能变坏.无论焊缝区还是非焊缝区,其先前的磨损细化了组织,改善了其磨损性能,减弱了其后的摩擦损伤.     

焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究

基于纳米压痕技术,对转子钢焊接接头不同区域（母材、焊缝和热影响区）开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究．首先,通过压入位移控制的单向压痕实验,采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征,同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析;其次,对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验,比较其压入深度随循环周次的演化特征．结果表明,焊接接头不同区域力学性能差异较大,热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高,焊缝次之,母材最弱;三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征,且母材演化速度高于焊缝,高于热影响区．研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义．     

基于微结构损伤的珠光体材料本构行为研究

珠光体材料由许多随机取向的珠光体团组成，每一珠光体团又由铁素体片和渗碳体片交替 叠合而成. 实验表明具有较小片层间距的珠光体材料具有较高的强度和寿命. 通过分析构成 珠光体团的各相及界面的损伤特征，利用损伤耗散功的概念，得到了铁素体、渗碳体与界面 损伤的具有统一形式的演化规律，将其嵌入基于细片层微结构和非经典塑性理论的珠光体团 的弹塑性本构方程，利用Hill自洽方法，得到了珠光体材料的损伤本构描述. 所得到的损 伤本构描述显含表征微结构特征的片层间距，容易证明具有较小片层间距的珠光体材料具有 较好的综合力学性能. 对珠光体材料的拉伸和循环拉压特性进行了分析，得到了与实验一 致的结果.     

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

磨料流加工过程中介质黏温特性对金属磨损性能的影响

采用20#钢、45#钢和T8钢3种不同材料进行磨料流加工试验,测定并分析各种材料的磨损量和表面粗糙度的变化情况;通过黏度计研究磨料流加工介质的黏温关系,并基于Rabinowicz单颗粒切削模型推导出以介质黏温关系为主的磨损关系式.结果表明:在磨料流加工开始的几个循环内,材料的表面粗糙度与磨损量变化较大,随着循环次数的增加,其变化幅度逐渐降低;材料硬度越高,磨损量越小;加工介质的黏度随温度升高而急剧下降.推导出的磨损关系式表明,磨损量与介质黏度呈正比,与工件硬度呈反比,材料磨损量变化趋势与试验结果一致.     

D2车轮钢原始组织对滑动磨损性能的影响

采用MRH-5A型环块磨损试验机对D2车轮钢及U71Mn钢轨钢采取对摩方式进行滑动磨损试验，研究原始组织对D2车轮钢滑动磨损性能的影响. 结果表明:以回火索氏体(TS)为原始组织的D2车轮钢比片状珠光体组织(P)+先共析铁素体(F)的D2车轮钢具有更好的耐磨性能. P+F和TS表面磨损机制均以磨粒磨损和黏着磨损为主，而P+F表面磨损更严重且伴随大块白层剥落现象. TS塑性变形层更薄，其内的铁素体细化成纳米晶，粒状渗碳体不发生剪切变形，主要以溶解为主，不易形成较厚的白层，不发生大块剥落现象，提高耐磨性能.      

D2高速车轮钢在滑动磨损下的白层形成与剥落

通过对不同转数滑动磨损后的D2高速车轮钢进行表面形貌和微观组织观察与分析,研究白层形成、发展与剥落过程以及他们之间的联系.结果表明:随着滑动磨损转数的增加,试块表面磨损方式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损,同时在磨损表面形成纳米晶白层.该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成,其形成机制属于塑性变形机制.从横截面角度观察,白层的形成过程主要分为五个阶段:1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层,铁素体发生细化;2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层,渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状;3)犁沟内形成厚度小于1μm的白层,其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒;4)犁沟内白层增厚成月牙形;5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接,厚度可达10μm.白层剥落过程如下:主要在脊缘处产生裂纹源,表面裂纹沿着与摩擦力成30°~45°方向向犁沟内扩展并交汇,在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展,最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落.     

冲击接触加载下人体天然牙的磨损行为研究

在自制的小载荷冲击磨损试验机上,对离体人牙进行了不同循环次数的冲击加载试验,结合微观分析,研究了人体天然牙的冲击磨损行为.结果表明:人牙表面的磨损体积随冲击次数增加呈非线性增大.在冲击磨损初期,人牙表面呈现轻微塑性变形;随着时间增长,磨损表面出现剥落,磨损加剧;随着时间继续增长,磨损表面形成磨屑层,磨损速率减缓.研究还发现,人牙磨损表面硬度随冲击次数增加而增大.     

原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响

利用双盘滚动接触疲劳试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+PF)和回火索氏体(TS)的ER9车轮钢试样进行滚动接触疲劳试验,并对结果进行了分析。结果表明:在油润滑条件下,原始P+PF试样的滚动接触疲劳寿命是TS试样的2.8倍.?其原因是原始的P+PF的试样表面存在厚约1?μm的机加工细晶层,而TS试样无明显细晶层,在疲劳过程中,P+PF试样会优先在细晶层内萌生浅层裂纹并平行于表面扩展形成浅层剥落,而后在细晶层剥落的区域萌生疲劳裂纹,而TS试样则直接在试样表面萌生疲劳裂纹.?经过1×105周次在空气中的预磨损后,两种不同原始组织的试样表面均被强化,滚动接触疲劳寿命均有大幅度的提升.?但由于P+PF试样预磨损过程中机加工细晶层的剥落以及产生了少量的疲劳磨损,部分疲劳磨损裂纹成为滚动接触疲劳裂纹的裂纹源,而预磨损后的TS试样的表层形成分布更为均匀的细晶层,故预磨损后的TS试样的滚动接触疲劳寿命远高于P+PF试样.      

Numerical simulation of friction stir butt welding process for AA5083-H18 sheets

Thermo-mechanical simulation of the friction stir butt welding (FSBW) process was performed for AA5083-H18 sheets, utilizing a commercial finite volume method (FVM) code, STAR-CCM+, which is based on the Eulerian formulation. Distributions of temperature and strain rate histories were calculated under the steady state condition and simulated temperature distributions (profiles and peak values) were compared with experiments. It was found that including proper thermal boundary condition for the backing plate (anvil) is critical for accurate simulation results. Based on the simulation, thermal and deformation histories of material elements were also calculated, useful to predict material characteristics of the weld such as hardness or grain size, and possibly for the susceptibility of weld to abnormal grain growth (AGG) after post-weld heat treatment.     

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.     

Ti6Al4V合金激光熔覆Ti3SiC2增强Ni60复合涂层组织与摩擦学性能

为了提高Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,在其表面利用激光熔覆技术制备出两种不同配比的Ti₃SiC₂/Ni60复合涂层,分别是5%Ti₃SiC₂+Ni60(N1)和10%Ti₃SiC₂+Ni60(N2)(均为质量分数),研究了这两种涂层在室温、300和600 ℃下的微观组织、显微硬度、摩擦学性能表现及相关磨损机理. 结果表明:涂层主要由硬质相TiC/TiB/Ti_xNi_y,γ-Ni固溶体连续相和润滑相Ti₃SiC₂组成. N1、N2涂层的显微硬度均为基体(350HV_0.5)的3倍左右,分别为1 101.90HV_0.5 和1 037.23HV_0.5 ,在室温、300和600 ℃下的摩擦系数分别为0.39、0.35、0.30和0.41、0.45、0.44,均小于基体的摩擦系数(0.51、0.49、0.47). N1、N2涂层在室温、300和600 ℃下的磨损率分别为3.07×10?5、1.47×10?5、0.77×10?5 mm3/(N·m)和1.45×10?5、0.96×10?5、0.62×10?5 mm3/(N·m),均远小于基体[35.96×10?5、25.99×10?5、15.18×10?5mm3/(N·m)]. 在本文中Ti₃SiC₂提高了Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,使得N1涂层表现出更好的减摩性能,N2涂层表现出更好的耐磨性能. 室温下,磨粒磨损、塑性变形以及轻微的黏着磨损为两种涂层的主要磨损机理;300 ℃时,塑性变形、氧化磨损和黏着磨损是N1涂层的对应机理,600 ℃时出现了三体磨粒磨损;在300和600 ℃时,黏着磨损、氧化磨损及磨粒磨损为N2涂层的主要磨损机理.      

WC／Co硬质合金的磨料磨损性能研究

采用微尺度浆料磨料磨损试验机和钢轮湿磨料磨损试验机,对比考察了不同晶粒尺寸和硬度的ＷＣ／Ｃｏ硬质合金在钢轮湿磨料磨损试验和微尺度浆料磨料磨损试验条件下的磨料磨损性能;同时采用扫描电子显微镜观察分析合金磨损表面形貌,以探讨其磨损机理。结果表明：随着硬质合金试样硬度的增加,其在钢轮湿磨料磨损试验条件下的抗磨能力明显增强;而在微尺度浆料磨料磨损试验条件下,即ＷＣ晶粒粒度与磨料相对尺寸相近时,合金的磨损体积损失与其硬度之间无明显相关性,此时ＷＣ晶粒尺寸是影响硬质合金磨料磨损性能的主要因素,ＷＣ／Ｃｏ硬质合金的主要磨损机理为ＷＣ晶粒的断裂和剥落。