發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 16:04

【摘要】：隨著我國(guó)高速鐵路不斷發(fā)展,列車時(shí)速也不斷提高,從200km逐步上升到350km。高速列車通常采用盤(pán)形制動(dòng)。緊急制動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片劇烈摩擦將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能,其中大部分熱能被制動(dòng)盤(pán)吸收。對(duì)于時(shí)速300km乃至更高的高速列車,制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更大的摩擦熱能,制動(dòng)盤(pán)表面局部溫度甚至超過(guò)制動(dòng)盤(pán)用鋼的A3點(diǎn)溫度。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的制動(dòng)過(guò)程后,制動(dòng)盤(pán)用鋼表面會(huì)出現(xiàn)熱疲勞裂紋、熱斑等熱損傷,對(duì)其使用壽命產(chǎn)生危害�？量痰姆郗h(huán)境對(duì)制動(dòng)盤(pán)材料提出了更高的要求。針對(duì)制動(dòng)盤(pán)用鋼對(duì)強(qiáng)韌性及熱疲勞性等性能的需求提高,本論文在28CrMoV制動(dòng)盤(pán)用鋼的基礎(chǔ)上對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化,提高鋼的A3點(diǎn)溫度和導(dǎo)熱系數(shù),并針對(duì)顯微組織演變、第二相粒子析出、力學(xué)性能及熱疲勞性能變化等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文通過(guò)Thermo-Calc軟件對(duì)制動(dòng)盤(pán)用鋼析出相的成分和析出行為進(jìn)行了計(jì)算,并研究了合金元素對(duì)相變點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明,應(yīng)適當(dāng)提高制動(dòng)盤(pán)用鋼中V、Mo含量,降低C、Cr含量。在基礎(chǔ)成分的實(shí)驗(yàn)鋼中,析出相主要為V(C,N)、(Mo,V)C、M23C6、M7C3和MnS相。增加V、Mo含量促進(jìn)V(C,N)和(Mo,V)C相的析出,提高A3點(diǎn)溫度,同時(shí)增加V主要形成析出相而對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。而增加C、Cr含量促使鋼中析出更多的M23C6和M7C3相,A3點(diǎn)溫度降低,同時(shí)增加的Cr主要固溶在基體中而降低導(dǎo)熱系數(shù)。此外,實(shí)驗(yàn)鋼的A3點(diǎn)溫度為840℃。在熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上研究了奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為,并通過(guò)熱膨脹儀測(cè)定和繪制了實(shí)驗(yàn)鋼的靜態(tài)CCT曲線。結(jié)果表明,在溫度不高于1000℃,增加V含量能細(xì)化奧氏體晶粒;而添加Nb在900～1200℃都具有較好的細(xì)化效果。實(shí)驗(yàn)鋼中富V的M8C7(即V(C,N)相)和NbC相的溶解和粗化導(dǎo)致了異常晶粒長(zhǎng)大。隨著冷速增加,冷卻轉(zhuǎn)變組織中鐵素體含量減小,而貝氏體含量先增加后降低,轉(zhuǎn)變組織最終完全為馬氏體。增加V主要提高析出V含量,固溶C含量降低,M8C7粒子含量增加。因此實(shí)驗(yàn)鋼的Ac1點(diǎn)、Ac3點(diǎn)和Ms點(diǎn)溫度提高,CCT曲線左移,全馬氏體臨界冷速?gòu)?0增到15℃·s-1。Nb的影響與V相類似,但由于Nb增加量較小(0.045%),其效果也較弱。實(shí)驗(yàn)鋼淬火+高溫回火的顯微組織為回火馬氏體。淬火溫度為880～900℃,V含量應(yīng)為0.31%～0.49%時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼具有較好的強(qiáng)韌性。實(shí)驗(yàn)鋼淬回火態(tài)的析出相主要為M8C7、(Mo,V)C、M7C3和M23C6。淬火溫度為880～900℃時(shí),增加V細(xì)化馬氏體組織,提高小尺寸(Mo,V)C含量,同時(shí)抑制大尺寸M23C6和M7C3的析出,因此實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度明顯增加,而沖擊功變化不大。但淬火溫度為920～940℃時(shí),提高釩含量促使(Mo,V)C含量急劇增加,沖擊功快速下降�；鼗饘�(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)回火溫度不大于600℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功小于100J;而在700℃回火時(shí),屈服強(qiáng)度小于1000MPa。為了滿足性能要求,回火溫度應(yīng)為650℃。此外,實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度與回火時(shí)間呈對(duì)數(shù)規(guī)律下降,回火時(shí)間應(yīng)小于2h。實(shí)驗(yàn)鋼中Nb的最佳添加量為0.025%。添加0.025%Nb后,實(shí)驗(yàn)鋼回火馬氏體組織細(xì)化,大角度晶界比例增加,因此強(qiáng)韌性同時(shí)提高。在回火初期,添加0.045%Nb抑制了鋼中(Mo,V)C的析出,同時(shí)析出大尺寸NbC粒子,因此實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性同時(shí)下降。而在長(zhǎng)時(shí)間回火時(shí),添加0.045%Nb抑制了M23C6和M7C3粒子的析出和粗化,同時(shí)析出了熱穩(wěn)定性更好的M8C7和NbC粒子,因此實(shí)驗(yàn)鋼回火穩(wěn)定性提高,且沖擊功與不添加Nb時(shí)差別不大,但仍小于添加0.025%Nb時(shí)的沖擊功。通過(guò)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)、馬弗爐和高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)鋼的高溫性能試驗(yàn),如熱疲勞性、抗氧化性和高溫力學(xué)性能。添加0.025%Nb或增加0.18%V(0.31%到0.49%)提高實(shí)驗(yàn)鋼的熱疲勞性能。添加Nb或V抑制了實(shí)驗(yàn)鋼中大尺寸M23C6等的析出和粗化,同時(shí)M8C7或NbC含量提高,分布更加彌散,故實(shí)驗(yàn)鋼組織穩(wěn)定性提高,表面硬度增加。因此實(shí)驗(yàn)鋼中主裂紋長(zhǎng)度降低,熱疲勞性能提高。氧化實(shí)驗(yàn)表明,增加Cr抑制了實(shí)驗(yàn)鋼的氧化行為。氧化層分為兩層,外層為松散的Fe203層;而內(nèi)層更加致密,含有更高的Cr含量,主要為FeCr2O4和部分FeO。增加Cr提高了內(nèi)層Cr含量,內(nèi)層更加致密,氧化層厚度降低,抗氧化性提高。高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度不大于400℃時(shí),增加V、Mo含量提高實(shí)驗(yàn)鋼的高溫強(qiáng)度;而添加Nb、Cr對(duì)高溫強(qiáng)度影響較小。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.1
【圖文】：

２．１．１制動(dòng)盤(pán)簡(jiǎn)介逡逑制動(dòng)盤(pán)１５］是制動(dòng)系統(tǒng)中比較重要的部件，其結(jié)構(gòu)和尺寸決定制動(dòng)效果。逡逑通常情況下，制動(dòng)盤(pán)是一體式結(jié)構(gòu)，如圖２－１所示。由于動(dòng)力傳動(dòng)部件占據(jù)逡逑了相當(dāng)?shù)目臻g，在從動(dòng)軸上安裝制動(dòng)裝置的空間十分有限，因此當(dāng)前列車主逡逑要采用輪裝式制動(dòng)裝置。輪裝式制動(dòng)方式能在車軸周圍提供更多的空間，同逡逑時(shí)還能簡(jiǎn)化車軸的設(shè)計(jì)。因此，輪裝式制動(dòng)盤(pán)既適用于裝有小直徑車輪的車逡逑輛，也適用于要求車軸上端有空間以裝配大直徑車輪的大型列車。此外，對(duì)逡逑于輪裝式制動(dòng)裝置，制動(dòng)盤(pán)只在外表面發(fā)生摩擦，而軸裝式制動(dòng)盤(pán)在兩側(cè)同逡逑時(shí)受熱。逡逑－２－逡逑

位錯(cuò)切過(guò)機(jī)制與第二相粒子的二分之一次方成正比。由于位錯(cuò)會(huì)采用消耗能逡逑量較小的機(jī)制通過(guò)第二相粒子，因此存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)換尺寸，兩種強(qiáng)化機(jī)制逡逑相當(dāng)，此時(shí)的強(qiáng)化效果最好，如圖２－２所示。逡逑－９－逡逑

＆第二相的尺寸ｄ／ｎｍ逡逑圖２－２鋼的屈服強(qiáng)度與第二相尺寸的關(guān)系逡逑通常情況下，鋼中第二相粒子的尺寸都大于臨界轉(zhuǎn)換尺寸，故Ｏｒｏｗａｎ機(jī)逡逑制為第二相主要的強(qiáng)化機(jī)制，其對(duì)屈服強(qiáng)度的影響如式２－４所示［６｜，６２］：逡逑ａｐ＝５．９邋ｆ＇２－ｄ－＇ｌｎ（ｄ／邋０．０００２５）邐（２－４）逡逑式中，0＞為屈服強(qiáng)度，／為第二相的體積分?jǐn)?shù)，ｄ為第二相尺寸ｊＨｍ）。逡逑由式２－４可知，增加第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)或降低其尺寸都能提高析出逡逑強(qiáng)化效果，其中細(xì)化第二相尺寸的效果更加明顯。此外，由于鋼中第二相粒逡逑子幵性較差，因此第二相粒子的析出，尤其是粗大的粒子，會(huì)對(duì)鋼的幵塑性逡逑造成危害。因此，相比于提高第二相的體積分?jǐn)?shù)，細(xì)化第二相粒子尺寸不僅逡逑能有效提氋析出強(qiáng)化效果

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