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FeCrBCSi系非晶/纳米晶电弧喷涂层组织和性能的研究

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FeCrBCSi系非晶/纳米晶电弧喷涂层组织和性能的研究

作者：张关震北京工业大学

学位级别：硕士

本文从非晶/纳米晶合金成分设计出发,研究了B元素对Fe-Cr-B-C-Si合金系非晶相含量及纳米晶晶粒尺寸的影响机制及规律;建立了非晶相含量、纳米晶粒尺寸与涂层显微组织形貌等微结构特征的影响关系,并研究了非晶/纳米晶涂层的磨粒磨损与腐... 详细信息

本文从非晶/纳米晶合金成分设计出发,研究了B元素对Fe-Cr-B-C-Si合金系非晶相含量及纳米晶晶粒尺寸的影响机制及规律;建立了非晶相含量、纳米晶粒尺寸与涂层显微组织形貌等微结构特征的影响关系,并研究了非晶/纳米晶涂层的磨粒磨损与腐蚀行为及其相应的失效机理。主要研究结果如下: 在一定范围内,通过调整粉芯丝材中B元素含量,采用电弧喷涂方法制备了五组不同非晶相含量、纳米晶粒尺寸的Fe基非晶/纳米晶涂层。涂层由变形良好的扁平化粒子相互搭接堆积而成,呈典型的层状结构形貌,结构致密,通过图像分析软件测量涂层孔隙率约在3%左右。其中FeCrB(CSi)合金具有相对最高的非晶相含量、最小的纳米晶粒尺寸,其非晶含量可达36.4%,纳米晶粒尺寸为12.4nm。所制备的涂层均具有较好的热稳定性,差热分析结果表明在760K以下使用涂层不会发生晶化。制备的非晶/纳米晶涂层均具有较高的硬度,维氏硬度值保持在865166HV0.1。涂层在室温下的耐磨粒磨损性能约为基体Q235钢的63倍,主要磨损机制以疲劳磨损为主。随涂层中纳米晶粒尺寸的减小和非晶相含量的增加,涂层的维氏硬度逐渐提高,耐磨粒磨损性能相应增加。涂层在经过923K两个小时的退火处理后,其维氏硬度和相对耐磨性均得到提升,保持了良好的热稳定性。制备的非晶/纳米晶涂层在室温3.5%NaCl溶液中的电化学结果与基体相比均具有较高的自腐蚀电位,呈现相对较好的抗氯离子腐蚀能力,能够很好的对基体起到保护作用。腐蚀行为以点蚀为主同时兼有均匀腐蚀的进行。对合金成分差别较大的FeCrB(CSi)、FeCrB(CSi)两涂层对其进行高温腐蚀的研究,结果表明,在923K经过100h的高温腐蚀后,其高温氧化动力学曲线和涂盐(NaSO+KSO)热腐蚀动力学曲线均呈抛物线状,最终两涂层的氧化增重量稳定在6mg/cm左右,涂盐热腐蚀增重量约为10mg/cm,均明显优于基体材料,呈现相对较好的抗高温氧化和热腐蚀性能。两涂层高温氧化和涂盐热腐蚀后的表面产物均为FeO和尖晶石FeCrO氧化物,由这些氧化物在涂层表层所构成的均匀致密的钝化膜有效的保护了涂层内部组织。

关键词： Fe基非晶/纳米晶涂层电弧喷涂微观组织结构磨损行为腐蚀行为

时速250km等级动车组自主化车轮的耐磨性能试验研究

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中国铁道科学 2017年第1期38卷 117-122页

作者：张关震任瑞铭丛韬张弘付秀琴大连交通大学材料科学与工程学院辽宁大连116028 中国铁道科学研究院金属及化学研究所北京100081

对时速250km等级动车组自主化D1车轮进行耐磨性能试验,并与进口ER8车轮的耐磨性能进行对比。首先在实验室内采用Amsler磨损试验机对这2种车轮试样进行磨损试验,测量各试样的磨损失重量。然后将这2种车轮安装在同一动车组上,在太原南至... 详细信息

对时速250km等级动车组自主化D1车轮进行耐磨性能试验,并与进口ER8车轮的耐磨性能进行对比。首先在实验室内采用Amsler磨损试验机对这2种车轮试样进行磨损试验,测量各试样的磨损失重量。然后将这2种车轮安装在同一动车组上,在太原南至永济北区间往返运行,通过计算车轮踏面廓形实测线与基准线滚动圆中心位置纵坐标的差值,衡量车轮实际的磨损量。结果表明:自主化D1车轮试样的相对耐磨性能约为ER8车轮试样的1.09倍,且其磨损机理主要为疲劳磨损,同时伴有磨粒磨损的特征;随着运行里程的增加,车轮每万km的平均磨损量逐渐减小,当运行里程达到20万km时,自主化D1车轮每万km的平均磨损量为0.041mm,低于ER8车轮,表明自主化车轮的耐磨性能较进口车轮更为优异。

关键词：高速动车组车轮耐磨性能磨损

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高速动车组新材质车轮性能研究

中国铁道科学 2018年第1期39卷 75-81页

作者：丛韬韩建民陈刚张关震张斌北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 中国铁道科学研究院金属及化学研究所北京100081 马鞍山钢铁股份有限公司高性能轨道交通新材料及安全控制安徽省重点实验室安徽马鞍山243000

为提高高速铁路动车组车轮的强度、硬度,同时兼顾其韧性,进行新材质车轮的成分设计及试样制备;对试样的化学成分、拉伸性能、断面硬度、断裂韧性、淬透性进行测试,对其金相组织、微观组织和析出物进行观测,综合分析新材质车轮的性能,并... 详细信息

为提高高速铁路动车组车轮的强度、硬度,同时兼顾其韧性,进行新材质车轮的成分设计及试样制备;对试样的化学成分、拉伸性能、断面硬度、断裂韧性、淬透性进行测试,对其金相组织、微观组织和析出物进行观测,综合分析新材质车轮的性能,并与ER8车轮进行对比。结果表明:与ER8车轮相比,新材质车轮中C的质量分数相同,Mn的质量分数按常规设定,但提高Si的质量分数并添加V,使其抗拉强度提高9%,屈服强度提高12%,硬度提高15HBW,断裂韧性提高10%,断后伸长率、冲击韧性和淬透性相当;相同踏面深度下,新材质车轮珠光体团更细、珠光体片层间距更小、先共析铁素体体积分数更高;提高Si的质量分数并添加V,还使新材质车轮的微观组织结构和分布发生改变,是其具有更高的强度、硬度和断裂韧性的直接原因。

关键词：动车组车轮材质硬度强度韧性强化机制高速铁路

铁路车轮轮辋疲劳裂纹和踏面剥离掉块的微观伤损因素分析

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中国铁道科学 2017年第5期38卷 93-99页

作者：丛韬韩建民张关震吴斯张澎湃北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 中国铁道科学研究院金属及化学研究所北京100081

以某型铁道车辆装用的3组(20个为1组)车轮(其中,1组车轮的轮辋出现疲劳裂纹,1组车轮的踏面存在剥离掉块,1组车轮运行30万km未出现伤损)为研究对象,采用ASPEX自动扫描电镜系统研究3组车轮轮辋中非金属夹杂物的组成、性质及定量关系,并采... 详细信息

以某型铁道车辆装用的3组(20个为1组)车轮(其中,1组车轮的轮辋出现疲劳裂纹,1组车轮的踏面存在剥离掉块,1组车轮运行30万km未出现伤损)为研究对象,采用ASPEX自动扫描电镜系统研究3组车轮轮辋中非金属夹杂物的组成、性质及定量关系,并采用扫描电子显微镜和金相显微镜,研究轮辋疲劳裂纹、踏面剥离的伤损形貌和特征,分析导致轮辋疲劳裂纹和踏面剥离的微观伤损因素。结果表明:辋裂车轮中的非金属夹杂物以脆性夹杂物为主,约占非金属夹杂物总数的85%,并且断口中存在的毫米级脆性氧化物类夹杂物属于冶炼或浇注过程中混入的耐材或熔渣等外来物,这是轮辋疲劳裂纹形成的主要原因;在踏面剥离掉块车轮和未损伤车轮中,塑性非金属夹杂物占绝对多数,分别约占非金属夹杂物总数的84%和93%,踏面剥离掉块车轮的踏面塑性变形层平均厚度约为1mm,为未伤损车轮踏面塑性变形层的10倍,说明踏面塑性变形层的相对变形量较大是导致车轮踏面剥离掉块的主要原因。

关键词：车轮轮辋疲劳裂纹车轮踏面剥离掉块非金属夹杂物踏面塑性变形层

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非金属夹杂物对动车组轴箱轴承剥离的影响

中国铁道科学 2020年第6期41卷 127-134页

作者：张恒张关震丛韬吴斯张澎湃王金成中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081 大连交通大学材料科学与工程学院辽宁大连116028 洛阳LYC轴承有限公司河南洛阳471003

针对某型动车组轴箱轴承外圈滚道出现的剥离伤损,运用失效分析方法,观察轴承的宏观形貌、裂纹源微伤特征及显微组织;研究非金属夹杂物引起轴承剥离的机理,以及尺寸、形态、聚集状态对疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:3件轴承外圈滚道的剥... 详细信息

针对某型动车组轴箱轴承外圈滚道出现的剥离伤损,运用失效分析方法,观察轴承的宏观形貌、裂纹源微伤特征及显微组织;研究非金属夹杂物引起轴承剥离的机理,以及尺寸、形态、聚集状态对疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:3件轴承外圈滚道的剥离均为典型的接触疲劳伤损,疲劳裂纹起源处均存在破碎和残留的非金属夹杂物,且其截面金相中的非金属夹杂物呈现大尺寸、尖锐状和聚集态;在轴承运用载荷作用下,这些缺陷使得轴承材料出现应力集中,进而诱发和促进了疲劳裂纹的萌生和扩展,最终发展为剥离失效,缩短了轴承服役寿命。

关键词：动车组轴箱轴承剥离非金属夹杂物

含铒铝镁合金TIG焊接焊缝微观组织特征(英文)

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稀有金属材料与工程 2012年第10期41卷 1713-1716页

作者：杨东霞李晓延聂祚仁贺定勇黄辉张关震北京工业大学北京100124

对Al-Mg-Mn-Zr-Er合金进行TIG焊接,研究了母材和焊缝的微观组织特征,重点研究了Er在焊缝中的存在形式及其对焊缝微观组织的影响。结果表明:Er在焊缝中以Al3Er相的形式存在,其中初生Al3Er具有细化晶粒的作用,次生Al3Er具有弥散强化的作用... 详细信息

对Al-Mg-Mn-Zr-Er合金进行TIG焊接,研究了母材和焊缝的微观组织特征,重点研究了Er在焊缝中的存在形式及其对焊缝微观组织的影响。结果表明:Er在焊缝中以Al3Er相的形式存在,其中初生Al3Er具有细化晶粒的作用,次生Al3Er具有弥散强化的作用;在熔合线附近出现由细小等轴晶组成的细晶区,该区域的出现与Er元素的添加有关。

关键词：铒铝镁合金 TIG焊微观组织

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

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光谱学与光谱分析 2021年第7期41卷 2269-2274页

作者：刘佳沈学静张关震郭飞飞李冬玲王海舟钢铁研究总院北京100081 钢研纳克检测技术股份有限公司北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：激光诱导击穿光谱原位统计分布分析火车车轮钢成分分布分析

铁素体不锈钢中铜析出相的长大和晶体结构演化规律研究

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稀有金属材料与工程 2021年第2期50卷 658-663页

作者：尹鸿祥吴毅张关震李翔张澎湃赵爱民中国铁道科学研究院集团有限公司北京100081 北京科技大学北京100083

为研究铁素体不锈钢中铜析出相的析出过程和晶体结构演化规律,采用原子探针层析技术(APT)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了铜析出相的长大过程。结果显示:随着时效时间的延长,富铜相尺寸增大,数量密度降低,析出相形状由最初的球状... 详细信息

为研究铁素体不锈钢中铜析出相的析出过程和晶体结构演化规律,采用原子探针层析技术(APT)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了铜析出相的长大过程。结果显示:随着时效时间的延长,富铜相尺寸增大,数量密度降低,析出相形状由最初的球状转化为椭球状,最后成为杆状。析出相长大曲线可以拟合为r_(1)=2.45t^(1/3)-4.46,符合Ostwald熟化规律。9R结构与基体的取向关系为(114)_(9R)//(011)_(a-Fe),[110]_(9R)//[111]_(a=Fe)。本实验钢含铜相析出序列为bcc→9R→3R→fcc。

关键词：超纯铁素体不锈钢铜析出相 Ostwald熟化晶体结构

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中国高速车轮产品质量性能研发应用进展

钢铁 2018年第11期53卷 1-7页

作者：苏世怀赵海江波邹强从韬张关震马钢(集团)控股有限公司安徽马鞍山243000 马鞍山钢铁股份有限公司安徽省高性能轨道交通新材料及安全控制重点实验室安徽马鞍山243000 中国铁道科学研究院金属及化学研究所北京100083

介绍了自20世纪90年代中国铁路大提速至今天＂复兴号＂中国标准动车组投入运营,马钢为满足中国高速铁路的发展,针对高速车轮产品服役过程出现的问题及质量要求,在高速车轮成分自主设计、非金属夹杂物控制、制造工艺等开展的一系列研究工... 详细信息

介绍了自20世纪90年代中国铁路大提速至今天＂复兴号＂中国标准动车组投入运营,马钢为满足中国高速铁路的发展,针对高速车轮产品服役过程出现的问题及质量要求,在高速车轮成分自主设计、非金属夹杂物控制、制造工艺等开展的一系列研究工作,试制的车轮实物质量优于进口产品,并通过装车运用对其服役性能进行综合评价,最终形成了从产品研究到推广应用的系统研发闭环,支撑了中国客运时速由最初不到80 km/h发展至350 km/h以上,实现了高速车轮技术自主化、产品国产化,同时对马钢下一步高速车轮产品品种开发及市场开拓等工作进行了展望。

关键词：高速车轮产品质量研发应用