贝氏体钢轨空冷过程中组织和应力的数值模拟分析

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贝氏体钢轨具有刚度大、耐磨性好、寿命长等优点,但是由于贝氏体轧后热处理过程中容易出现组织转变的不均匀、弯曲变形程度过大、残余应力较高等突出问题,因此对贝氏体钢轨轧后的热处理强化过程成为近年来研究的热点。本文通过实验测得贝氏体钢轨在不同温度下的应力应变曲线,得到贝氏体钢轨杨氏模量和热膨胀系数等贝氏体钢轨的热物性参数;通过试验获得贝氏体钢轨的TTT曲线和CCT曲线;并且通过钢轨空冷实验,测定了60kg/m贝氏体钢轨和60AT道岔钢轨.轧后空冷过程的换热系数。本文采用有限元方法,模拟60kg/m贝氏体钢轨和60AT道岔钢轨热处理过程温度场、组织场、纵向应力场以及弯曲变形的演变规律,为今后60kg/m贝氏体钢轨和60AT道岔钢轨轧后空冷优化工艺的制定,以及如何保证钢轨组织转变均匀、减少弯曲变形量、降低残余应力等关键问题的解决提供了十分重要的理论依据。钢轨轧后空冷过程温度场、组织场和纵向应力场模拟计算结果表明:在钢轨轧后冷却过程中,钢轨的高温区主要贯穿轨头,造成组织转变的不均匀;纵向应力场与组织转变有关系密切,与温度变化关系次之;终冷时,60kg/m贝氏体钢轨属于轴对称几何图形,其断面残余最大拉应力150MPa,最大压应力-110MPa,60AT道岔钢轨属于非对称轴几何图形,断面残余最大拉应力250MPa,最大压应力-150MPa;弯曲变形受组织转变影响较大,终冷时,60kg/m贝氏体钢轨属于轴对称几何图形,只在z方向(正弯)发生弯曲变形,在z方向弯曲挠度为0.287mm,最终钢轨向轨头方向弯曲,然而60AT道岔钢轨属于非对称轴几何图形,在y方向(侧弯)和z方向都有弯曲变形,在y方向弯曲挠度为-0.075mm,最终向钢轨轨底短边方向弯曲,在z方向弯曲挠度为0.255mm,最终向钢轨轨头方向弯曲。
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