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原文传递高铁车轴钢DZ2材料制备及疲劳性能研究

论文题名：	高铁车轴钢DZ2材料制备及疲劳性能研究
关键词：	高铁车轴;钢材料;成分设计;制备工艺;疲劳性能
摘要：	高铁车轴作为高速列车运行的关键走行部件，其服役环境、运行速度、安全性、可靠性和长寿命周期的使用要求对其强度、韧性、疲劳性能、材质的致密性和均匀性等提出了更为严苛的要求。目前高铁车轴材料主要依赖于进口，且不能完全适应国内高铁发展的需求。因此，本文在研究国内外高铁车轴材料的基础上自主优化设计成分、研发了其关键制备工艺，并对材料性能进行了研究。　　本文针对DZ2高铁车轴钢成分进行了Ni合金化和Nb-V复合微合金化优化设计，研究了试验钢的凝固和热加工变形行为，明确了其凝固特性，建立了本构方程和热加工图。对连铸和轧钢制备过程进行了数值模拟，为工业化试制提供了关键工艺参数，并开展了工业化试验研究，获得了各项性能优异的高铁车轴钢坯材料。进一步基于能量理论对所制备的高铁车轴钢材料，研究了其疲劳断裂行为和裂纹扩展机理。　　DZ2钢的Ni合金化和Nb-V复合微合金化成分优化设计结果表明：最优的添加量为Ni-1.1wt.%，Nb-0.02wt.%、V-0.04wt.%。在该成分下DZ2钢的力学性能、淬透性、韧脆转变温度和高温力学性能均得到显著提升。相比于添加0.2wt.%Ni，添加1.1wt.%Ni的试验钢韧脆转变温度从-27℃降低到-63℃，CCT曲线右移，淬透性变好；相比于不添加Nb的DZ2钢，添加0.026wt.%Nb的试验钢平均奥氏体晶粒尺寸减小了66.7%，屈服强度提升了78MPa。　　针对试验钢分别进行了凝固行为和热加工特性研究，结果表明：平衡状态下DZ2钢液固相线温度分别为1500℃和1450℃，其凝固过程为1500℃开始有高温铁素体析出，1485℃发生包晶反应，1450℃完全转变为奥氏体，521.3℃时奥氏体开始转变为马氏体，195.5℃时奥氏体完全转变为马氏体。在冷却速率范围为400-800℃/min时的非平衡冷却状态下未观察到包晶反应。根据热加工图确定DZ2车轴钢有2个最佳变形区：变形温度为950~1020℃，应变速率1~5s?1；变形温度为1050~1150℃，应变速率＜1s?1。　　大圆坯连铸过程数值模拟和工业化试验研究结果表明：最优的Φ690mm DZ2钢的连铸工艺参数为拉速0.20m/min、过热度30℃、结晶器电磁搅拌150A/2.5Hz，二冷电磁搅拌100A/2.5Hz，凝固末端动态压下45mm。该工艺下铸坯未见表面和心部裂纹，等轴晶比例最大，横截面上的偏析最小，中心疏松和缩孔最小。　　轧钢制备过程数值模拟和工业化试验研究结果表明：最优轧制制度为后程执行大压下(单道次≥90mm)，开轧温度1150±10℃，终轧温度≥900℃。轧制过程采用后程大压下时，表征轴坯致密度的静水压力积分值Gm较前程大压下、无大压下分别增大了34.0%和52.3%；开轧温度为1150℃时Gm值相比1100℃和1200℃时分别增大了31.4%和15.5%；终轧温度为900℃的轧件中心Gm值较850℃和1000℃时的Gm值分别增大了26.4%和11.7%。　　试验钢的疲劳断裂行为研究结果表明：优化设计的DZ2钢在应力比R=0.1拉-拉循环载荷下疲劳极限高于欧洲EA4T钢。基于能量理论的红外热像法能准确快速得到试验钢的疲劳极限，与常规疲劳试验得到的疲劳极限在同一数量级，分别为652MPa和650MPa。　　试验钢裂纹扩展过程为初始阶段呈解理特征的脆性断裂，随着裂纹扩展的进行出现撕裂棱，呈准解理断裂为主的脆性穿晶断裂。当应力强度因子ΔKlt;4.12MPa·m1/2时，裂纹不会扩展；当4.12lt;ΔKlt;15.04MPa·m1/2时，裂纹慢速扩展；当ΔK＞15.04MPa·m1/2时，裂纹匀速扩展；通过红外热像法得到当ΔK＞25.8MPa·m1/2时，裂纹失稳扩展，材料迅速失效。
作者：	张锦文
专业：	材料科学与工程
导师：	王文先;王玉玲
授予学位：	博士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2021