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超声冲击对钢轨摩擦磨损性能的影响

作　者: 颜亮
导　师: 何柏林
学　校: 华东交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 超声冲击金属表面处理金相组织表面显微硬度表面粗糙度耐磨性残余应力
分类号: TG115.58
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着机车车速的提高,以及车辆轴重的增加,钢轨接触应力随之增大,钢轨踏面的纵向、横向摩擦力以及钢轨侧压力也随之增大,导致钢轨的垂直磨损、侧面磨损、轮缘和轮踏面磨损都将会增大。因此解决铁路运输业中存在的许多关键技术问题有着重大的意义。开展钢轨材料表面组织的磨损研究具有重要的现实意义,对我国铁路系统降低在役钢轨的维修费用和成本具有潜在的经济效益,是实现铁路可持续发展的必然要求。本文在详细论述了钢轨摩擦磨损的现象分类及其研究历史与现状的基础上,以U70钢轨为主要研究对象,采用天津大学焊接教研室研制的TJU-UMSNT-I型超声表面纳米加工处理装置对U70钢轨进行超声冲击表面加工处理。在处理过程中,通过改变超声冲击的振幅和冲击时间进行对比,利用透射电子显微镜对加工后的样品表面进行微观结构分析,用显微硬度计分析加工后样品的硬度随厚度方向的变化关系,用扫描电子显微镜对摩擦磨损试验后,加工前后样品表面磨损程度进行分析。研究结果表明:经过超声冲击处理后,U70钢试样的表面产生了剧烈的塑性变形,且沿厚度方向呈现梯度公布结构:剧烈塑性变形层,过渡层及基体。剧烈塑性变形层在扫描呈拉长的纤维状,且剧烈塑性变形层的深度随处理时间的增加而增加并最后稳定在55μm左右。与未作超声冲击处理的试样相比,经过超声冲击后,钢轨表面的硬度明显提高,且随深度增加表面硬度逐渐减小。振幅为24um时,随着冲击时间的延长,硬度提高的效果越好。当冲击时间延长至60min时,表面硬度值达到最大,为613HV,比未冲击试样表面硬度325HV相比,提高了88.6%。振幅为26.6um,冲击时间为40min时,表面硬度值为600HV,比未冲击试样表面硬度325HV相比,提高了84.6%。钢轨的表面粗糙度有显著降低,振幅在24μm时,Ra由原始的19.8μm下降到4.59μm,降低了76.8%。超声冲击可以显著提高钢轨的耐磨性;随着冲击时间的延长,提高材料耐磨性的幅度越大。特别是在振幅为24um,冲击60min后,试样的耐磨性增加最多,相对未作冲击处理的试样,其耐磨性提高了40.6%。振幅为24um,冲击时间为60min后热处理的试样,其耐磨性比原始试样提高了34.4%。残余应力对试样耐磨性也有影响,存在残余压应力时其耐磨性可以提高6.2%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
主要符号说明  9-10
第一章绪论  10-20
  1.1 摩擦和磨损  10-11
  1.2 钢轨的滚动接触磨损  11-13
    1.2.1 钢轨滚动接触磨损类型  11-12
    1.2.2 钢轨滚动接触磨损的危害  12-13
  1.3 金属材料表面自纳米化  13-17
    1.3.1 表面自纳米化的常用方法  14
    1.3.2 纳米化设备及其工作原理  14-15
    1.3.3 表面层的组织结构  15-16
    1.3.4 表面层的力学性能  16-17
    1.3.5 表面自纳米化的应用前景  17
  1.4 超声冲击技术  17-19
    1.4.1 超声冲击技术的特点  18
    1.4.2 超声冲击的研究现状  18
    1.4.3 超声冲击的应用前景  18-19
  1.5 本课题的研究的目的及内容  19-20
第二章实验原理及装置  20-25
  2.1 超声冲击技术及发展状况  20
  2.2 超声冲击技术的基本原理  20-22
    2.2.1 表面变形强化原理  20-21
    2.2.2 超声冲击的基本原理  21-22
  2.3 超声冲击装置  22-23
  2.4 小结  23-25
第三章试验材料及方法  25-29
  3.1 试验材料  25
  3.2 试验方案设计  25
  3.3 性能测试方法  25-28
    3.3.1 微观结构分析方法及设备  25-26
    3.3.2 表面硬度分析方法及设备  26
    3.3.3 表面粗糙度分析方法及设备  26
    3.3.4 摩擦磨损分析方法与设备  26-28
    3.3.5 低温去应力退火  28
  3.4 小结  28-29
第四章试验结果及分析  29-53
  4.1 微观结构的分析  29-32
  4.2 表面显微硬度的分析  32-35
    4.2.1 超声冲击处理后对表面显微硬度的影响  32-35
    4.2.2 表面显微硬度提高的机理  35
  4.3 表面粗糙度的分析  35-43
    4.3.1 轮廓算数平均偏差变化规律  37-40
    4.3.2 表面三维微观形貌  40-43
  4.4 摩擦磨损试验结果及分析  43-51
    4.4.1 摩擦磨损的评定方法  43
    4.4.2 摩擦磨损的数据分析  43-48
    4.4.3 试样磨痕分析  48-51
  4.6 小结  51-53
第五章总结与展望  53-55
  5.1 主要工作回顾  53-54
  5.2 本课题今后需进一步研究的地方  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-59
个人简历在读期间发表的学术论文  59

超声冲击对钢轨摩擦磨损性能的影响

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