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原文传递高速车轮成形理论及组织演变规律研究

论文题名：	高速车轮成形理论及组织演变规律研究
关键词：	高速车轮成形;模锻加工;轧制工艺;组织演变;有限元模拟;断裂韧性
摘要：	近年来，高速车轮需求量随着高速铁路交通的快速发展而不断增加。截止目前，我国高速车轮全部依赖于国外进口的局面仍未打破。高速车轮要求较高的强韧性能，对车轮的冶金质量、成形及热处理工艺等都有较高要求。我国高速车轮制造仍存在诸多理论、技术上的勺关键问题亟待解决，尤其是车轮轧制成形变形规律、多工步成形过程组织演变、热处理对提高车轮断裂韧性这一关键指标等方面的研究还相对肤浅，有些甚至是空白。鉴于此，本文基于“863”重点项目“高速动车组用车轮的研究与开发”，主要围绕高速车轮热成形，系统研究车轮压轧成形过程金属变形及组织演变规律，为提高成形精度、优化工艺及控制缺陷提供理论依据;并研究开发出提高断裂韧性的车轮热处理新技术。本文的主要研究内容和结果如下: 　　(1)基于上限法开发出车轮终锻压力快速预测模型，并分析了工艺参数对锻压力的影响。探讨了轮辋顶端圆角半径对模具压靠时金属流动及锻压力的影响，从理论上说明了在终锻结束时轮辋外端角部难以完全充满的原因。　　(2)基于理论解析给出了车轮立式轧制时轧辊接触区面积的计算方法，分析得到主辊侧与辐板辊侧压入量的关系及其在轧制中的变化规律。研究发现，辐板辊侧的压入量稍大于主辊侧，且随着轮辋直径扩大，辐板辊侧压入量所占比例逐渐增大。得到车轮立式轧制的咬入条件及轮辋轧透条件，为车轮轧制工艺优化提供了理论指导。　　(3)通过车轮多工步热成形有限元分析，尤其是车轮轧制的三维模拟，系统分析了高速车轮成形过程的金属变形规律，得到以下主要结果:1）发现车轮轧制过程中轮辋断面存在两个难变形区，即轮辋内侧中部近表面区域和轮辋心部，难变形区金属在周向和径向受到拉伸作用;2）轧制时轮辋内外径的扩大主要发生在主辊变形区前后的两个影响区中，并阐明其发生机理;3）揭示了轧制中车轮的应力分布特点，轧制时辐板径向和周向受明显拉应力作用，变形区以外的轮辋及轮缘则周向受压;4）发现并解释了车轮轧制时辐板减薄现象及机理;5）得到主辊每圈进给量对车轮轧制的影响规律;6）解释了预成形坯轮缘局部欠充满是轧后轮辋发生椭圆现象主要原因之一，阐明了轮缘严重欠充满处轮辋内侧面产生折叠缺陷的根本原因是，主辊变形区中轮辋内侧靠近轮缘部位在径向和周向受强烈拉伸作用。这些结果对进一步厘清车轮轧制变形认识具有重要意义，并为车轮轧制工艺优化、轧制缺陷控制提供了理论指导。　　(4)基于Gleeble实验分析得出高速车轮钢热成形过程奥氏体组织演化模型，并通过二次开发将组织演化模型与车轮多工步热成形有限元模型相集成，结合实验验证，对车轮成形过程组织演变的进行了系统分析。得出以下主要规律:1）初锻中，坯料金属动态再结晶充分;终锻中，动态再结晶主要发生在轮毂中部和下部、辐板及轮辋区域;2）开锻温度每升高30℃，终锻后平均晶粒尺寸增加20～30μm;随锻压速度的降低，轮辋中部金属的晶粒尺寸增大，而近表面金属晶粒尺寸有所细化;3）轧制中，轮辋仅外端部分金属发生动态再结晶，轮辋的大部分及辐板变形部位金属只能在轧制变形区间隙时间内发生部分静态再结晶;4）轧制中轮辋近表层金属晶粒细化明显，其中轮辋外端细晶区分布区域深度明显大于轮辋内端。车轮成形过程的组织演变研究为车轮成形工艺和后继热处理工艺的优化提供了新的视角。　　(5)开发出“预处理+终处理”车轮热处理新工艺，通过改善轮辋组织状态以提高轮辋断裂韧性。主要研究结果有:1）预处理中晶粒尺寸及其分布主要受温度影响，而初始组织状态的影响较小，通过一次预处理可以显著细化并改善晶粒尺寸分布均匀性;2）预处理加热温度合理控制范围为840～880℃，终处理选择840℃左右为宜;3）以870℃×2.5h预处理+840℃×2.5h终处理工艺进行实物车轮试制，结果表明，车轮的断裂韧性相对于传统工艺得到显著提高，各项力学性能也都能满足高速车轮的技术要求。用该工艺生产高速车轮的技术条件已通过评审，试制车轮正准备装车试验。
作者：	沈晓辉
专业：	材料加工工程
导师：	高霖
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文