激光诱导击穿光谱技术对火车车轮钢中成分的原位统计分布分析表征

随着铁路规模的迅速扩大,对列车运行的可靠性及耐久性的要求也越来越高,车轮作为铁路机车车辆行走系统的核心部件,它与轨道之间的摩擦既要保证安全又要提升速度,车轮材料的性能直接影响车轮对磨损和滚动接触疲劳损伤的敏感性,其服役性能也受到高度关注。研究表明,车轮钢材料的成分及分布状态可对其组织性能产生显著影响,因此,运用激光诱导击穿光谱分析技术结合原位统计分布分析方法,通过其可多元素同步快速分析的高效性、较好的空间分辨能力、较大区域内的扫描分析能力等技术优势,结合统计分布分析方法,实现对车轮钢材料成分及其分布状态的快速表征。选取垂直于车轮轮辋外侧面作为分析面,对其进行低倍检测观察到在远离踏面的区域存在明显的粗大树枝晶结构,其组织结构存在不均匀性,并以此作为特征分析区域进行取样,采用320目的氧化铝砂纸进行表面处理,利用LIBSOPA系统进行成分分布分析。首先,在不同剥蚀条件下对各元素特征谱线的光谱信号强度及其稳定性进行比对分析,优化选定了20个预剥蚀10个剥蚀作为实验条件;其次,采用内标法建立了火车车轮钢中Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Mo,Cu和V等九个元素的定量分析方法并对车轮钢样品中的元素含量进行测定,其定量结果与直读光谱分析的结果具有较好的一致性;最后对样品进行了区域扫描并运用统计偏析度对各元素的成分分布状态进行了统计表征,成分分布分区统计结果显示所有元素靠近踏面区域的统计偏析度均小于远离踏面区的统计偏析度,结合成分二维分布图可知,测试样品远离踏面区域的成分分布不均匀,其结果与低倍检验方法观察到的结果对应性较好。运用LIBSOPA 技术实现了对火车车轮钢材料中多元素的成分分布表征,为快速判定车轮钢材料成分及分布状态提供了全新的思路和表征手段。     

不均匀组织ER8车轮滚动接触疲劳性能研究

针对含不均匀组织ER8车轮服役过程中过早出现滚动接触疲劳(RCF)损伤这一实际问题,通过RCF试验,获得了车轮不均匀组织和正常组织的RCF极限;利用光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)重点表征了RCF裂纹萌生处的微观组织. 借助扫描电镜(SEM)和原位拉伸试验台测试了两种组织的弹、塑性能并原位观察了裂纹的扩展行为. 结果表明:车轮踏面不均匀组织的RCF极限低于轮辋正常组织,不均匀组织中除车轮正常组织应有的珠光体和先共析铁素体组织外,还存在大量的上贝氏体,上贝氏体的存在破坏了车轮正常组织的连续均匀性. RCF裂纹的萌生和扩展主要发生在上贝和正常组织的边界处,上贝氏体的硬度、弹性高于正常组织,但塑性小于正常组织,在相同接触应力作用下,两者弹-塑性变形的不协调是导致其组织边界处产生应力集中,进而诱发并促进疲劳裂纹的萌生和扩展,加速车轮RCF损伤出现的主要原因.      

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用*

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性。结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷检测中的工程应用具有一定的指导意义。     

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。