激光离散处理车轮钢-钢轨钢摩擦副的摩擦学性能研究

将激光离散处理前后的车轮试样分别与钢轨试样匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试各摩擦副的摩擦系数和磨损率,研究激光离散处理对轮轨摩擦副滚动接触摩擦磨损性能的影响.结果表明:车轮试样经过激光离散处理后,其抗磨损性能大幅增加,对应的轮轨试样摩擦副的摩擦系数小幅增加,其对摩钢轨试样的磨损加剧.未处理车轮试样主要发生剥层磨损并伴随轻微的疲劳磨损;处理后的车轮试样主要发生疲劳磨损并伴随轻微的剥层磨损.这是由于激光离散处理提高了车轮试样表层材料的抗塑性变形能力,从而抑制了材料的剥层磨损.各钢轨试样均发生剥层磨损,但是车轮试样经激光离散处理后,对应钢轨试样的剥层磨损加剧.     

等温淬火球墨铸铁的滚动接触磨损性能研究

将2种等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron, ADI)和合金钢车轮材料分别与合金钢钢轨材料匹配,研究各摩擦副的滚动接触磨损性能.结果表明:与合金钢车轮材料相比,2种ADI材料的磨损性能均有大幅度的改善.硬度低、石墨球直径小且密度大的ADI材料自润滑效果好,相对应的摩擦副抗磨损性能最好;硬度高、石墨球直径大且密度小的ADI材料自润滑效果较差,相对应的摩擦副抗磨损性能居中;合金钢车轮材料不具备自润滑能力,相对应的摩擦副抗磨损性能最差.     

车轮钢滚动剥离摩擦磨损特性研究

在NENE-2型摩擦磨损试验机上利用往复滚动试验装置研究了不同滚滑状态下车轮钢的剥离摩擦磨损特性和碳含量对车轮钢滚动剥离磨损性能的影响.结果表明:在不同滚滑状态下摩擦副之间的摩擦力不同,平面试样的表面磨痕形貌随着不同的切向摩擦力而明显不同,随着切向摩擦力的增大滚动磨损机制亦发生改变,剥离磨损加剧且磨损深度变大,当相对滑动量增大到一定程度后,磨损表现为明显的剥层机制;碳含量对车轮钢的滚动磨损表面磨痕形貌影响显著,碳含量低时磨痕以犁沟为主,碳含量高时剥离磨损发生的概率增加.     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响。结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩擦材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响。     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦磨损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响．结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩阻材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响．     

Fe及SiO2对铜基刹车材料摩擦磨损性能的影响机制

通过加压烧结法制备出铜基粉末冶金航空刹车材料,采用模拟刹车制动试验方法考察了不同转速条件下Fe含量和添加SiO2对材料摩擦磨损性能的影响,利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察材料的显微组织结构及其磨损表面形貌,分析了Fe和SiO2对材料磨损性能的影响机制.结果表明:由于高硬度及耐磨的Fe弥散分布于铜基体中,使得刹车材料的摩擦系数和耐磨性能有所提高;SiO2虽然能够更有效地增加材料的摩擦系数和提高高速条件下的耐磨性,但对低速下材料磨损性能的提高不利.这是由于在低速下,SiO2易凸出摩擦表面而增加材料的磨损,而在高速下由于硬质SiO2颗粒对摩擦膜起到很好的钉扎作用而使其摩擦系数增加,磨损率降低.     

钢纤维对铜基金属陶瓷摩擦材料力学和摩擦学性能的影响

研究了钢纤维含量及长径比对汽车离合器用Cu基金属陶瓷摩擦材料硬度、力学性能及摩擦磨损性能的影响．结果表明,钢纤维同Cu基体结合良好,钢纤维可增加金属陶瓷的硬度和弯曲强度;钢纤维含量及长径比对Cu基金属陶瓷摩擦材料的摩擦磨损性能具有明显影响;随着钢纤维含量和长径比的增大,摩擦系数对比压的敏感性减弱;当钢纤维含量为10％～30％时,长径比较大的SF-1钢纤维增强Cu基金属陶瓷摩擦材料的综合摩擦磨损性能较优,相应的偶件磨损较轻微．     

铁含量对铜一铁基摩擦材料性能的影响

研究了Cu-Fe基粉末冶金摩擦材料中Fe和Cu含量变化对材料机械及摩擦磨损性能的影响.结果表明随Fe含量增加(Cu含量相应减少),材料的抗弯强度、抗压强度及硬度逐渐增大;Fe质量分数为20%时材料的摩擦系数高且平稳,磨损则较低.     

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.     

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.     

铁路货车心盘材料的耐磨性研究

对比研究了货车心盘用ZG25MnNb钢、AAR-C级钢及经过表面强化处理的锻钢20Mn、锻钢Q345和铸钢ZG25的耐磨性能；采用金相显微镜分析了材料金相结构对其耐磨性能的影响。结果表明，对货车心盘用钢材进行表面强化能够显著改善其耐磨性能ZG25MnNb钢和经表面强化处理的锻钢20Mn的耐磨性较优；表面硬度高而组织细小的材料组成的摩擦副的耐磨性较好。     

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.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.     

含WC陶瓷相电弧喷涂层耐磨粒磨损性能的研究

采用电弧喷涂含WC-CoNi金属陶瓷粉末的粉芯丝材,在低碳钢基体上制备铁基复合涂层,采用MLS-225型湿砂橡胶轮磨损试验机评价铁基复合涂层的耐磨粒磨损性能,利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对涂层的显微组织结构、磨损表面及其相组成进行分析.结果表明:含WC陶瓷相涂层的耐磨粒磨损性能较好,相对Q235钢提高约9倍;当粉芯中WC质量分数低于25%时,随着WC含量增加,涂层的硬度和耐磨性增加;当粉芯中WC质量分数超过25%后,涂层的耐磨性有所下降;电弧喷涂含WC陶瓷相涂层的磨损机制主要为硬质相的脆性剥离和轻微的塑性切削,在磨粒磨损条件下硬度较低的金属基体先磨损,硬度较高的WC和Fe3B硬质相起到阻止石英砂磨损的作用,从而降低了涂层的磨损.     

新型TBM刀圈材料微观组织及耐磨性能研究

TBM刀圈材料是一种对强韧性、耐磨性要求很高的合金钢材料. 目前常用的H13、DC53型TBM刀圈材料综合性能有待提高. 通过优化合金元素配比,制备出一种强韧型综合性能较好的新型TBM刀圈材料DB1,利用光学显微镜和扫描电子显微镜对DB1、H13和DC53的微观组织及断口形貌进行了观察分析,研究了不同载荷和不同硬度岩石条件下DB1与H13、DC53的磨损性能的差异,并对其磨损表面形貌进行扫描电子显微镜观察分析. 结果表明:一次碳化物的平均尺寸和含量对TBM刀圈材料的硬度、韧性及耐磨性有重要影响;适量的一次碳化物有助于提高材料的硬度及耐磨性;过多的一次碳化物会导致材料韧性急剧下降. 岩石抗压强度与刀圈具有匹配性,新型TBM刀圈材料DB1钢用于中等抗压强度的岩石时具有较好的耐磨性.      

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71 Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71 Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响；随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.     

Finite element and experimental method for analyzing the effects of martensite morphologies on the formability of DP steels

Abstract

In this article, we investigated the effect of martensite morphology on the mechanical properties and formability of dual phase steels. At first, three heat treatment cycles were subjected to a low-carbon steel to produce ferrite–martensite microstructure with martensite morphology of blocky-shaped, continuous, and fibrous. Tensile tests were then carried out so as to study mechanical properties, particularly the strength and strain hardening behavior of dual phase steels. In order to study the formability of dual phase samples, Forming Limit Diagram was obtained experimentally and numerically. Experimental forming limit diagram was obtained using Nakazima forming test, while Finite Element Method was utilized to numerically predict the forming limit diagram. The results indicated that the dual phase samples with fibrous martensite morphology had the highest tensile properties and strain rate hardening out of the three different microstructures. Blocky-shaped martensite morphology, on the other hand, had the worst mechanical properties. The study of the strain hardening behavior of dual phase sample by Kocks–Mecking-type plots, evinced two stages of strain hardening for all specimens with different microstructures: stages III and IV. The forming limit diagram of dual phase steels also proved that samples with fibrous martensite morphology had the best formability compared to other two microstructures. The simulated forming limit diagram manifested that there is a good agreement between experimental results and those obtained by FEM.