高速列车用车轴钢洁净度评估及高周疲劳性能研究

作     者：崔友久 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：惠卫军

授予年度：2019年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：车轴钢 模铸 连铸 非金属夹杂物 高周疲劳 疲劳裂纹扩展速率 

摘      要：现代铁路列车朝着高速重载的方向不断发展,因此对其零部件的可靠性提出了更高的要求。车轴是事关列车长期安全运行的一个关键零部件,在列车的高速运行过程中极易发生由疲劳引起的损伤,因此车轴必须具有足够可靠的疲劳安全系数。连铸工艺相比于模铸工艺具有高生产率、高成材率和低成本等优点而得到越来越多的应用。然而,目前我国车轴钢的冶金生产仍然以模铸工艺生产为主,能否保证连铸工艺生产的车轴钢达到模铸工艺生产的车轴钢的冶金质量和性能水平,就成为迫切需要研究的课题。因此,本文主要采用旋转弯曲疲劳、疲劳裂纹扩展速率等实验方法,对工业试生产的调质处理的模铸、连铸高铁车轴钢棒材的冶金质量和疲劳性能进行了对比研究,得到主要结果如下:采用金相法及氢脆拉伸法评估了模铸和连铸两种工艺下车轴钢的夹杂物水平。结果表明,金相法获得的模铸和连铸车轴钢中的最大夹杂物平均尺寸分别为12.1 μm和16.4 μm,氢脆拉伸法得到的模铸和连铸车轴钢中的最大夹杂物平均尺寸分别为22.9 μm和25.3 μm。这表明模铸车轴钢中的夹杂物尺寸要小于连铸车轴钢。对夹杂物进行能谱成分分析表明,模铸车轴钢中的夹杂物多呈条带状,主要为氧化物-硫化物的复合夹杂物;连铸车轴钢中的夹杂物多呈球状,主要为氧化钙、氧化铝及氧化镁等的复合氧化物夹杂。使用极值统计法预测了不同体积试验钢中的夹杂物尺寸,随着钢体积的增大,夹杂物的尺寸呈增长的趋势,并且模铸车轴钢中的夹杂物尺寸始终小于连铸车轴钢中夹杂物的尺寸。采用旋转弯曲疲劳试验对模铸车轴钢和连铸车轴钢的高周疲劳性能进行了评估。结果表明,两种试验钢的高周疲劳S-N曲线均存在明显的疲劳极限,采用升降法获得二者的疲劳极限分别为449 MPa、426 MPa,疲劳极限比分别为0.54、0.53,即连铸车轴钢的疲劳极限较模铸车轴钢低了23 MPa,降低幅度约为5.4%。疲劳断口分析表明,除少数疲劳断裂起源于试样表层粗大夹杂物外,两种试验钢的疲劳断裂均大多起裂于试样表面基体。采用标准C(T)样测定了模铸车轴钢和连铸车轴钢的疲劳裂纹扩展速率。结果表明,在较低的应力强度因子范围△K内,连铸车轴钢的疲劳裂纹扩展速率高于模铸车轴钢的疲劳裂纹扩展速率;获得的两种试验钢疲劳裂纹稳定扩展阶段的Paris 方程分别为:da/dN=1.10×10-13(△K)3.02,da/dN=7.73×10-14(△K)3.09。上述分析表明,优良的冶金质量、较为细小的组织及较高的强度水平为工业试生产的模铸车轴钢较连铸车轴钢具有更为优异高周疲劳性能的主要原因。