SMA490BW作為高強鋼已被用于列車轉(zhuǎn)向的構(gòu)架上,轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架焊趾處的應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等不利因素導致轉(zhuǎn)向架焊接接頭處首先出現(xiàn)疲勞裂紋,隨著這些裂紋不斷的擴展最終導致焊接構(gòu)架的失效,大大降低了列車轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命,故焊趾是焊接件承載能力的薄弱環(huán)節(jié)。超聲沖擊處理是一種通過細化金屬表層晶粒,增加表面硬化程度,減少材料中存在的缺陷以及在表層引入有益的殘余壓應(yīng)力來提高金屬結(jié)構(gòu)件性能的表面強化技術(shù)。該技術(shù)以超聲波為動力源,利用其高頻、高能的特點沖擊金屬表面,使表層產(chǎn)生強烈的塑性變形,晶粒細化至納米量級,從而改善金屬表面的性能。本文采用超聲沖擊槍對SMA490BW耐候鋼十字焊接接頭進行沖擊處理,并研究沖擊處理對此類鋼種的十字焊接接頭的疲勞性能影響。采用德國卡爾蔡司生產(chǎn)的ZEISSΣIGMA型熱場發(fā)射掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌。通過透射電鏡觀察不同沖擊參數(shù)的焊趾表面的微觀組織,并對焊趾表面的硬度和變形層的厚度進行了分析。疲勞試驗結(jié)果表明超聲沖擊前后試樣發(fā)生疲勞斷裂的位置均在焊趾處,十字焊接接頭的焊趾處無論沖擊與否仍是整個試樣最薄弱的位置;雖然沖擊處理不能改變十字焊接接頭疲勞斷裂的位置,但經(jīng)過超聲沖擊處理的試樣其疲勞壽命能夠獲得很大的提高。以2×106循環(huán)周次下的應(yīng)力表征焊接接頭的條件疲勞極限,則焊態(tài)試樣的條件疲勞極限為165.96 MPa;沖擊態(tài)試樣的條件疲勞極限為219.28 MPa,對比可知經(jīng)超聲沖擊處理后SMA490BW耐候鋼十字焊接接頭的條件疲勞強度提高了32.13%。超聲沖擊處理對焊接十字接頭試樣的應(yīng)力集中系數(shù)影響較大,在沖擊10min后應(yīng)力集中系數(shù)Kt從3.09降為1.86,后維持在1.85左右。雖然沖擊處理能夠降低應(yīng)力集中系數(shù)Kt,但不能改變應(yīng)力集中的位置,最大應(yīng)力仍在焊趾處。超聲沖擊處理對金屬表面形貌影響也很大,隨沖擊時間增加所獲得的凹陷深度與過渡圓弧半徑均隨之增大,但是焊趾表面形貌變化率逐漸減小。凹陷深度h由0.5mm增大到1.2mm時,Kt在1.8~2.0之間變化;而過渡圓弧半徑r由2.0mm增為4.5mm時,Kt由2.2變?yōu)?.6。過渡圓弧半徑r與凹陷深度h相比,前者對焊接十字接頭試樣的應(yīng)力集中系數(shù)Kt影響更大。疲勞裂紋的萌生一般發(fā)生在駐留滑移帶(PSB)、晶界或?qū)\晶界、表面夾雜物或第二相界。操作不當或者過渡的超聲沖擊處理可能在焊趾表面形成嚴重的“旋型缺陷”,從而導致原始裂紋形成,極大的縮短了裂紋形成進而擴展的第一階段的周期。焊態(tài)試樣的裂紋從材料表面萌生,裂紋源數(shù)量不止一個;沖擊態(tài)試樣的裂紋源數(shù)量也較多,其主要萌生于試樣的次表面或經(jīng)超聲沖擊處理產(chǎn)生的缺陷處。焊態(tài)試樣和沖擊態(tài)試樣在裂紋擴展區(qū)形成明顯的撕裂棱和二次裂紋,在部分試樣的斷口上還可以發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋和解理臺階,裂紋擴展形式是穿晶解理的形式。焊態(tài)試樣和沖擊態(tài)試樣在裂紋擴展末期發(fā)生塑性斷裂,瞬斷口面上有大量的斷裂韌窩,且韌窩以等軸韌窩為主。超聲沖擊處理對試樣的表面形貌影響很大,經(jīng)處理后的試樣表面發(fā)生嚴重的塑性變形,部分試樣表面會形成旋型組織,疲勞裂紋通常在此處產(chǎn)生。在15min內(nèi)焊趾區(qū)塑變層厚度受沖擊時間較大,沖擊時間在25min時變形層的厚度最大達到約為320μm,但在沖擊處理后期沖擊時間對變形層的厚度影響減弱。超聲沖擊處理能夠細化材料表面的晶粒,有些材料的細化程度甚至能夠達到納米級。晶粒細化的原因與沖擊過程中高密度位錯墻的形成、湮滅和重排有關(guān)。超聲沖擊處理后材料表面硬度能夠得到較大的提高,當沖擊時間為10min時的硬度約為220HV,相比母材硬度的170HV更高,而當超聲沖擊時間達到25min時,此時的硬度值約為340HV,隨著沖擊時間的增加,焊趾表面的熱影響區(qū)的硬度也隨之增加,但增幅慢慢變小。
【學位單位】：華東交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG457.11
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 超聲沖擊技術(shù)的發(fā)展
    1.3 超聲沖擊仿真的研究現(xiàn)狀
    1.4 超聲沖擊焊接接頭疲勞性能研究現(xiàn)狀
    1.5 列車轉(zhuǎn)向架焊接接頭的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.6 本課題研究的主要內(nèi)容和重點
第二章 試驗方案及原理
    2.1 試驗方案
    2.2 超聲沖擊設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理
        2.2.1 超聲沖擊設(shè)備的結(jié)構(gòu)
        2.2.2 超聲沖擊技術(shù)的工作原理
第三章 十字焊接接頭應(yīng)力仿真及疲勞試驗
    3.1 仿真條件
    3.2 仿真結(jié)果及分析
        3.2.1 表面沖擊凹陷深度的分析
        3.2.2 沖擊后的焊趾過渡圓弧半徑分析
        3.2.3 應(yīng)力集中系數(shù)計算結(jié)果及分析
    3.3 疲勞試驗材料
    3.4 試驗結(jié)果
        3.4.1 疲勞試驗結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
第四章 疲勞裂紋的萌生及擴展分析
    4.1 疲勞裂紋的萌生分析
        4.1.1 類型Ⅰ：駐留滑移帶（PSB）
        4.1.2 類型Ⅱ：晶界或?qū)\晶界
        4.1.3 類型Ⅲ：表面夾雜物或第二相界
    4.2 疲勞裂紋的擴展分析
    4.3 超聲沖擊對裂紋形成影響
    4.4 本章小結(jié)
第五章 疲勞斷口及表面晶粒細化分析
    5.1 SMA490BW耐候鋼焊態(tài)疲勞斷口分析
        5.1.1 焊態(tài)裂紋源區(qū)的形貌
        5.1.2 焊態(tài)擴展區(qū)的形貌
        5.1.3 焊態(tài)瞬斷區(qū)的形貌
    5.2 SMA490BW耐候鋼沖擊態(tài)疲勞斷口分析
        5.2.1 沖擊態(tài)裂紋源區(qū)的形貌
        5.2.2 沖擊態(tài)擴展區(qū)與瞬斷區(qū)
    5.3 焊趾區(qū)變形層的厚度
    5.4 沖擊態(tài)焊趾區(qū)的高倍顯微組織結(jié)構(gòu)
    5.5 焊趾熱影響區(qū)的顯微硬度
    5.6 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 主要工作回顧
    6.2 本論文今后進一步研究方向
參考文獻
個人簡歷 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文
致謝

【參考文獻】

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