【摘 要】
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列车制动过程引起的热疲劳损伤严重威胁列车的运行安全,新型Mn-Si-Cr系贝氏体钢具有良好的综合性能,有望成为新型车轮材料的良好替代。但是,在实际线路服役测试中,新型贝氏体车轮也存在这种热疲劳损伤现象,而目前鲜有针对贝氏体钢热疲劳性能方面的研究。本文针对Mn-Si-Cr系贝氏体车轮钢,研究了其热疲劳损伤规律及机理,利用有限元仿真软件探究了列车闸瓦制动过程中车轮内部温度场,应力场分布规律及车轮内部温
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列车制动过程引起的热疲劳损伤严重威胁列车的运行安全,新型Mn-Si-Cr系贝氏体钢具有良好的综合性能,有望成为新型车轮材料的良好替代。但是,在实际线路服役测试中,新型贝氏体车轮也存在这种热疲劳损伤现象,而目前鲜有针对贝氏体钢热疲劳性能方面的研究。本文针对Mn-Si-Cr系贝氏体车轮钢,研究了其热疲劳损伤规律及机理,利用有限元仿真软件探究了列车闸瓦制动过程中车轮内部温度场,应力场分布规律及车轮内部温度变化的规律;分析了车轮制动过程中最高温度以及踏面处应力水平;以仿真结果为基础,通过热疲劳实验,研究了冷热循环过程中裂纹萌生的过程及裂纹扩展机理;观测了热疲劳过程中显微组织及性能的变化;探讨了300 ℃和600 ℃不同温度下回火处理对贝氏体车轮钢热疲劳性能的影响。对车轮制动过程中温度场和应力场分布的有限元模拟计算结果表明,列车在长大坡道制动过程中踏面处最高温度能够达到593 ℃左右,车轮踏面处的最大热应力能够达到178 MPa左右。对踏面处受力进行损伤评价,长大坡道制动工况下踏面处受力处于B级稀有制动区,踏面处可能产生损伤。以仿真得出的最高温度为基础,设计循环上限温度为600 ℃的热疲劳。结果表明:热疲劳裂纹随着冷热循环周次的增加逐渐变大。本文定义了热疲劳裂纹当量值(Thermal Fatigue Crack,CTF)用以定量描述冷热循环之后材料的疲劳损伤程度。热疲劳循环过程具有高温回火的特征,其在冷热循环过程中存在贝氏体板条合并,残余奥氏体分解,碳化物析出及硬度降低等变化。针对300 ℃和600 ℃不同温度下回火处理后试样的热疲劳实验表明,尽管300 ℃回火贝氏体钢的综合力学性能优于600 ℃回火,但是,其受到热疲劳损伤的程度明显大于经600 ℃回火处理试样。在300 ℃回火处理状态下,材料显微组织内存在膜状残余奥氏体,而600 ℃回火状态下,残余奥氏体基本全部分解,并伴随有碳化物析出。由于300 ℃回火贝氏体钢中存在残余奥氏体,在其后续的冷热循环过程中,残余奥氏体发生转变,碳化物动态析出过程,都有可能加速裂纹的产生以及扩展。而600 ℃回火处理过程中的回火保温阶段,残余奥氏体已基本分解完全,同时伴随有部分碳化物析出。
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