形態(tài)耦元、特征量對u71mn鋼疲勞磨損性能影響

形態(tài)耦元、特征量對U71Mn鋼疲勞磨損性能鋼軌作為鐵路系統(tǒng)中的重要組成部件其質(zhì)量和性能直接影響鐵5mm4mm：EffectsofmorphologycouplingandcharacteristicvalueonthefatiguewearofU71MnsteelSteelrailisanimportantcomponentoftherailwaytransportationsystem,railwaytransportefficiencyandtrafficsafetyisgreatlydependentonthequalityandpropertyofsteelrail,withtheaccelerationofChina’srailwaysystemandthedevelopmentofhigh-speedrail,thefailurecausedbyfatiguewearontherailsteelis ingmoreandmoreserious,Toreducethecostofrailwayoperationandensurethesafetyofthetraffic,it'sessentialforustostudyfatiguewearanditsrelatedproblems.Basedonpreviousexperimentalresultsandadeepunderstandingandmasteryoftypicalbiologicalcouplingmechanism,wemadehardbionicunitswithcertaingeometryonthesurfaceofbiomimeticsamples,then,thedifferenceofthefatiguewearperformancewascomparedwhenthemorphologyandshapeofbionicunitchanged,atthesametime,thestudyalsofocusedontheeffectofthedistanceofbionicunitsonthefatiguewearpropertiesofbiomimeticsamples.Researchresultsshowthatduringtheprocessofbioniccouplingtreatment,theliquidinthemoltenpoolisrapidlycooledtoformamartensiticstructurethatContainsamassofdislocations,bionicunitscanhindertheexpansionofthefatiguecrackbecauseit’sstrongabilitytoresistplasticdeformation.Besides,theexistenceofbionicunitswillgeneratestressconcentrationanddecreasethestressofthesubstrate,sothefatiguewearperformanceofbioniccouplingsamplesincreasesignificantly.Deepnessofthebionicunitsisthemainfactorinfluencingthefatiguewearperformanceofbiomimeticsamples.Whenthedepthofbionicunitsincreases,thewearpropertiesofmaterialstendtobeenhanced.Thestrengthandyieldstrengthofspecimenswithreticulateunitsisgreaterthespecimenswithpunctateandstriateunits,andthestressconcentrationofspecimenswithreticulateunitsishigherthanothersstyle,thesereasonsmakethespecimenswithreticulateunitshavethebestfatiguewearproperty.Ifthesampleshavethesamemorphologycoupling,thesmallerofthedistanceofbionicunits,thebetterperformancethatbiomimeticspecimenswillhave.Whentransversedistanceis5mmandlongitudinaldistanceis4mm,thesamplespossessbestfatiguewearproperties.Whenthedistanceisgreaterorlessthanthisoptimalvalue,theperformanceofbiomimeticsampleswill:Biomimeticcoupling,Lasermelting,Morphologycoupling,Bionicunits’第一章緒 選題目的與意 鋼軌損 疲勞損傷類型分 影響鋼軌損傷的因 疲勞磨損過程及機(jī) 仿生耦合理論及技 仿生學(xué)理 仿生耦合理論及其技 仿生耦合在疲勞磨損研究中的應(yīng) 研究內(nèi) 第二章實(shí)驗(yàn)方 實(shí)驗(yàn)材 激光仿生耦合試樣的...........................仿生耦合試樣尺 激光加 系 仿生耦合單元體及其生物模 疲勞磨損實(shí) 拉伸試 微觀分析與檢 顯微組織分 顯微硬度分 物相分 磨損失重量測 磨損形貌分 第三章單元體截面形態(tài)對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 引 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè) 單元體的截面形 不同單元體截面形態(tài)對磨損結(jié)果的影 不同單元體截面形態(tài)對磨損失重量的影 不同單元體截面形態(tài)對磨損形貌的影 不同截面形態(tài)單元體的顯微組織分 物相分 組織分 不同截面形態(tài)的單元體的顯微硬 不同截面形態(tài)的單元體受力分析模 本章小 第四章單元體形狀對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 引 不同單元體形狀對疲勞磨損結(jié)果的影 不同的單元體形狀對仿生試樣拉伸性能的影 單元體形狀對拉伸結(jié)果的影 仿生耦合試樣的強(qiáng)化機(jī) 不同單元體形狀的仿生試樣的抗疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī) 不同單元體形狀試樣的應(yīng)力分 本章小 第五章單元體分布間距對U71Mn鋼疲勞磨損性能的影 實(shí)驗(yàn)方 不同單元體間距對仿生試樣疲勞磨損結(jié)果的影 失重量對 磨損形貌對 不同單元體間距對試樣顯微組織及硬度的影 不同單元體間距的仿生試樣的受力分 有限元分析模 受力分 本章小 第六章結(jié) 參考文 致 第一章緒論鐵路系統(tǒng)作為人員物資的大動(dòng)脈,一直承擔(dān)著50%以上重要的地位[1]。自1964年10月建成世界上第一條高速鐵路以來，高速我國從1992年召開高速鐵路發(fā)展研討會(huì)開始，到2004年從、、德國等引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，再到2008年底建成第一條具有自主知識且時(shí)速達(dá)到350Km的京津城際高鐵，實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)到引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展的大飛躍。按照國際鐵路(UIC)1996年劃定的高速鐵路的標(biāo)準(zhǔn)，截止到2013年6月，中國269356Km14104Km，規(guī)3228Km，營運(yùn)里程和規(guī)劃里程均居世界第一位[2]。目前高速鐵路已占到鐵路營運(yùn)總里程的19.4%，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展其比例也在逐步提高。U71Mn、PD3、U75VU71Mn敦駛至Leeds的途中出軌，造成整個(gè)列車11節(jié)車廂中的8節(jié)脫軌，4人，70人受傷，隨后的表明事故是由鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致鋼軌斷裂引起的[5]。20%的速度遞增[6]；廣深修這些損傷鋼軌需要鐵路公司每年多支出80多億，這還不包括維修養(yǎng)護(hù)者只能部分程度上改變輪軌間的作用形式，其效果并不顯著[10-12]19601.1（b）VU0.2～0.4mm，呈密集的麻點(diǎn)狀或扇貝形。1.1(a)點(diǎn)蝕裂紋擴(kuò)展示意圖；(b)Fig.1.1(a)Schematicdiagramforcrackpropagationofpitting,(b)Scanningcurveofthepitting1.2（b）1.1（a）圖 (a)剝離磨損表面形貌；(b)剝離裂紋擴(kuò)展示意 (a)Wearappearanceofstrip,(b)Schematicdiagramforpropagationof產(chǎn)生壓潰的條件為鋼軌的塑性變形必須達(dá)到一定的極限值，JohnsonMair和Murphy兩人通現(xiàn)過現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鋼軌波浪形磨損形成的必要條件是45°夾角的龜圖 (a)鋼軌壓潰；（b）鋼軌波浪形磨 (a)Railplasticflow,(b)Rail影響鋼軌損傷的因顯微組織的影Hall-Petch =+kd1/ 其中σ-1表示疲勞極限；i表示位錯(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力；k表示材料常數(shù)；d實(shí)驗(yàn)所用U71Mn鋼的含碳量為0.77%，位于共析反應(yīng)點(diǎn)，所以其室溫組織為U71Mnα-Fe[-6]這將導(dǎo)致輪軌開裂或使鋼軌疲勞明顯降低發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)5%的非馬氏體組織時(shí)，其疲勞10%，10%的殘余奧氏體時(shí)，可使疲勞極限10%-15%[-]。至少20%以上[31]。但是由于珠光體的斷裂韌性KIC較原因，在現(xiàn)有鑄造和合到珠光體鋼軌的2-5倍[33]英國英鋼聯(lián)公司研發(fā)并專利的低碳馬氏體鋼軌[34]，化學(xué)成分的影0.77%時(shí)，此時(shí)處于共析點(diǎn)，鋼的組織全部為珠光MnMn、Cr、Si、Ni氏體的合金元素能夠使CMn、Cr、Si、NiSiMnCrNi材料物理性能的影0.786b（bd≥3.15b[36]。外部因素的影。疲勞磨損過程及機(jī)疲勞裂紋萌生機(jī)通常將0.05～0.1mm的裂紋稱之為疲勞裂紋據(jù)此確定疲勞裂紋的萌A.H.Cottrell和D.Hull[38]通過交叉滑移模型形象的解釋了金屬在應(yīng)疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)，1.4第一個(gè)階段的裂紋擴(kuò)展速率非常低，其擴(kuò)展總進(jìn)程也很小數(shù)晶粒的微裂2-310-5-10-2mm/次。當(dāng)表面的薄，1.4Fig.1.4ThetwostagesoffatiguecrackLaird和Smith塑性鈍化模型，形象的闡述了塑性材料疲勞裂紋第二疲勞磨損S.Way[40]在1935年最先提出了疲勞裂紋擴(kuò)展的點(diǎn)蝕理論，他認(rèn)為使用潤滑1.5Fig.1.5Schematicdiagramofthepitting此理論是對S.Way理論的補(bǔ)充兩物體接觸時(shí)由于表面粗糙不平導(dǎo)致接觸區(qū)V.C.VenkateshS.Ramanathan1.6Fig.1.6SchematicdiagramoftheumshearstressN.P.Suh剝層理論[41]認(rèn)為，當(dāng)硬表面的微凸在軟表面上行過時(shí)，會(huì)在1.7Fig.1.7Schematicdiagramofthedelaminationwear仿生學(xué)理，管狀結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。如圖1.8所示威斯康辛州Madison聚合物研究中Cooper，1.8（a）蜂巢；（b） b(a) btyreSpeedo7.3%1.9不規(guī)則排列的V[-5]，科學(xué)家據(jù)增加了微小的凸起物，以降低運(yùn)動(dòng)員在水中的阻力[]。1.9（a）鯊魚體表形貌；（b）Fig.1.9Morphologiesonthesharkbodysurface(a)andsharkskinswimsuit(b)以生物體的某些功能的仿生Nexia生物科技公司和Natick3[48]。這種仿生纖維將來量產(chǎn)后，可用來制造手圖1.10（a）蜘蛛網(wǎng)；（b）仿生 Spiderweb(a)andbiomimeticbodyarmour仿生耦合理論及其技如圖1.11所示，貝殼的珍珠層是由陶瓷碳化鈣和有機(jī)質(zhì)組成的典型的殼層1.11（a）貝殼；（b） (a)S,(b)Deflectionofcrackinthenacreous翅膀要經(jīng)受氣流對翅膀的交變應(yīng)力的作用觀察其翅膀的標(biāo)本發(fā)現(xiàn)裂紋在擴(kuò)展過程中也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象[,][]。集中的地區(qū)，也是裂紋形成和的最敏感區(qū)域[63]。歐盟于2000年4月開展了Duroc，國內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)例應(yīng)用[-]表明,光淬火硬化層的硬度比常規(guī)淬火能夠提高15%-20%以上，耐磨損性能大大提升。S.M.Shariff通過研究激光表面強(qiáng)化處理后鋼軌的材料性能的變化硬化層厚度由激光功率和鋼軌原的顯微組織決定，激光強(qiáng)化后硬度顯著提高，抗疲勞磨損能力增強(qiáng)[]。JohnE.Garnham通過研究重載鋼軌初始疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理先共析鐵素和珠光體邊界處存在較高的壓-剪應(yīng)力，容易在此處萌生疲勞裂紋，通過合理的熱處理 能夠使該區(qū)域壓-剪應(yīng)力分布趨于均勻化，從而降低形成疲勞裂紋的，可能性[74]。K.H.Lo在能有效提高輪軌表面抗疲勞磨損的能力[75]。NagashimaToshio[76]等人通過對16第二章實(shí)驗(yàn)方法2.12.1圖 U71Mn鋼的顯微組 MicrostructureoftheU71MnDK77322.2120×15×6（mm3），2mm602000器中用溶液去除試樣表面油污2.2待處理試樣示意圖（單位 Sketchoftheuntreatedsample(Unit:激光加工系仿生試樣的激光熔凝處理在圖2.2所示的2+2維激光系統(tǒng)上進(jìn)行該4JHM-IGY-300B1.064μm，300w，工作介質(zhì)YAG（釔鋁石榴石）晶體。通過調(diào)節(jié)脈沖電流、脈寬、脈沖頻率、離焦量、激(a)2+2維仿生系 (b)2+2維仿生系統(tǒng)原理(a)Thepictureoflaser (b)Sketchmapoftable圖2.3激光仿生系統(tǒng)與加工示意Fig.2.1Laserbionicfabricatingsystemandprocessing2.4a1為荷葉表面凸點(diǎn)狀微觀結(jié)構(gòu)，b1為蜣螂波紋狀翅鞘結(jié)構(gòu)，c1為步甲蟲胸節(jié)背板網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。我們以這些生物模型為參考依據(jù)，將激光仿生熔凝的單元體結(jié)構(gòu)抽象并進(jìn)行優(yōu)化，得到如圖中a2、b2、c2所示的點(diǎn)圖 仿生耦合試樣示意 Thebioniccouplingsample60690r/min，4m/s，2.5圖 疲勞磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)工作原理示意 Sketchofoperatingprincipleofthefatigueweartest仿生試樣的拉伸性能測試在配有伺服系統(tǒng)的MTS810型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在室溫(20±5℃)3.5×10-4s-1，仿生試樣2.6進(jìn)行鑲樣后打磨、拋光，然后用4%的硝酸溶液對試樣進(jìn)行腐蝕，最后利用掃描電鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）觀察基體和仿生單元體的組顯微硬度測試在Buehler公司生產(chǎn)的1600-5122VDMICROMET5104型0.025kg，10s，測出的硬度值為維氏硬度。物相分析在理學(xué)X射線衍射儀（D/Max2500PCRigaku，Japan）上進(jìn)行，該衍射儀采用Cu靶的Kα射線，射線管的工作電流和電壓分別為300mA和50KV，0.05°，4deg/min。磨損失重量測3通過VEECO生產(chǎn)的NT9100型光學(xué)輪廓儀觀察磨損前后的表面形貌。NT91000.1mm第三章單元體截面形態(tài)對U71MnU71Mn首先需要確定不同仿生單元體的截面形態(tài)對U71Mn鋼軌疲勞磨損性能的影14mm，1.8m/h，選取脈沖電流、脈寬、頻率作為主要影響3.1以各項(xiàng)參數(shù)較大的3號試樣為參照物，將試樣分為三組。其中A組包含1、2、33.1Table Orthogonalexperiment1552553A3（B355445535654753按照表3.1中的激光參數(shù)分別加工成單元體間距為6mm的條紋狀仿生試樣，3.1圖 不同截面形態(tài)的單元體形 Sectionalviewsofdifferentunit如圖3.2所示，單元體的寬度定義為材料表面單元體邊緣之間的距3.23.2Table3.2Thesizeofdifferentunitsection寬度深度面積10A1Hz10%14%1ms10A，1Hz17%左右。2.5603.3Fig. Theweightlossofdifferentsectional34.4mg，46%。即使是效B110%左右。A3>A2>C2>C1>A1>B2>B1，失重量由A3<C2<A2<C1<A1<B2<B1?？梢姡?dāng)試樣單元體截面面積越大仿生試樣的疲勞磨損性能還與單元體表面形貌有關(guān)，A1C1A1C1A1A1不同單元體截面形態(tài)對磨損形貌的影圖3.4為B組仿生試樣疲勞磨損試驗(yàn)后的表面形貌,其中右側(cè)黑域?yàn)閱卧w。從圖中可以看出,對比激光仿生熔凝處理的B0試樣,其余三個(gè)試樣表B1、B2較少，說明單元體邊緣處存在較大應(yīng)力集中。AC表面形貌表現(xiàn)的規(guī)律和B量變化沒有B圖 B組磨損后表面形 ThewornSurfaceappearanceofB3.4過疲勞磨損實(shí)驗(yàn)的未處理試樣(B0所示）3.5(a)c（3.5（b）所示），由圖中可以看出，疲勞磨損坑的截面呈V型，深度大0.25mm，且斷口比較粗糙，圖 (a)點(diǎn)蝕的三維形貌；(b)C點(diǎn)處的斷面掃描曲Fig. Three-dimensionalshapeoffatiguepitting(a)andcurveofthepointc3.6XRD（fullwidthathalf3-1[85]計(jì)算：D= (3-其中D為晶粒尺寸大小，K為謝爾常數(shù)（0.89），λX射線衍射線波長，β為衍射峰的半高寬，θ為布拉格衍射角。X射線衍射峰的半高寬變大則晶粒尺寸D減小，說明經(jīng)激光熔凝后的單元體晶粒得到細(xì)化。組織分，從圖3.1不同截面形態(tài)的單元體的光鏡中可以看出單元體出現(xiàn)了明顯的分層與基體接觸的白亮區(qū)域稱之為相變層，與空氣接觸的單元體內(nèi)層3.7， SEMmicrographsofthesubstrate(a),meltingzone(b),thejunctionofMZandTZ(c),transitionzone(d)3.7A3SEM（a）為基體黑色薄片狀是滲碳體組織；（b）SEM不同截面形態(tài)的單元體的顯微硬有直接影響。顯微硬度的大小受材料合金成分和組織的影響。圖3.6為三組不同314HV9003448HV,143%。104-106℃/s，單元體相變層快速冷卻形成晶粒極細(xì)的針狀馬氏體，其硬度極3.8 Themicrohardnessofdifferentunitssectional3.3，A3疲勞。輪軌間的最大接觸應(yīng)力Pmax可由公式3-2計(jì)算[86]：

a

…………(3-式中Wa、bA3對比A、B、C3.8490HV～570HV[87]410HV～480HVAbaqus3.9（a）所示，基體及單元體處的網(wǎng)格劃分如圖中（b）所示。3.3圖 （a）有限元分析模型；（b）單元體網(wǎng)格劃 Thetypicalmodelinfiniteelementysis(a),finiteelementmeshgenerationofunits(b)表 仿生耦合試樣的數(shù)值模擬參 BionicCouplingSampleparametersfornumerical ModulusModulus --- 3.10a)為未處理試樣的等效應(yīng)力分圖 應(yīng)力云圖（a）未處理試樣；（b）仿生試 Stressnephogramofuntreatedsample(a)andbionicsample3.11 Stresscurveofdifferentunitssectional3.10Y0.02mm3.111、2、3B0、B323使整個(gè)試樣的疲勞得到提高。由圖3.11中的曲線2和曲線3可知，當(dāng)仿生圖 受力分析（a）未處理試樣；（b）仿生試 Forceysisofuntreatedsample(a)andbiomimeticsample3.12（b）cdcd第四章單元體形狀對U71MnA34.14.1Table Experimental554.1Fig. Sketchesofbiomimeticsampleswithdifferentunit將單元體形狀不同的三組試樣按照表4-1中的參數(shù)加工并進(jìn)行疲勞磨損實(shí)驗(yàn)60小時(shí)，前后均用和，烘干后進(jìn)行電子天平稱重，每組失重量4.24.2Fig. Theweightlossofbiomimeticsampleswithdifferentunit試樣的失重量為3.9mg，較未處理試樣減少59%；條紋狀單元體試樣的失重量為5.1mg，較未處理試樣減少47%；點(diǎn)狀單元體試樣的抗疲勞磨損性能，但其失重量也比未處理試樣減少了12.5%左右。由此可見，網(wǎng)格狀單元體對試樣的抗 ，4.3D0可見處理的試樣磨損后表面點(diǎn)蝕凹坑不僅數(shù)量多、分布密集，而且剝落坑D2、D3，圖 不同單元體形狀的仿生試樣的磨損后形 ThewornSurfaceappearanceofbiomimeticsampleswithdifferentunitshapes當(dāng)σbσ-1 (4-σ-1 (4-4.4U71Mn0.2%的點(diǎn)作一直線，使其平行于拉伸曲線中的彈性直線部分，其與拉伸曲線相交點(diǎn)的應(yīng)力值FNE作為屈服強(qiáng)度。因本實(shí)驗(yàn)中原始標(biāo)距L024mm，0.048mm對應(yīng)的應(yīng)力值作為FNE。屈服強(qiáng)度（YieldStrength，YS）和抗拉強(qiáng)度(TensileStrength，TS)4-3[9]4.2YS= TS

……(4-4.29.2%、14.6%、18.6%；6.6%、8.9%、16.6%。實(shí)表 不同單元體形狀的仿生試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)Table ResultsoftensilepropertySpecimenYS圖 未處理試樣（a）和仿生試樣（b）的頸縮過程示意 Modelforneckingprocessofuntreatedsample(a)andbiomimeticsample(b)4.6（a）所示，在拉伸過程中，隨著外加生試樣而言（4.6（b）所示），由于單元體的強(qiáng)度較高，其抵抗塑性變形遇阻，該區(qū)域集中的切應(yīng)力將逐漸向周圍低應(yīng)力區(qū)域（如下圖（b）中區(qū)域I）處的應(yīng)力集中，同理，區(qū)域II中的切應(yīng)力向周圍低應(yīng)力區(qū)域（如圖（b）II）傳遞。在整個(gè)拉伸過4-4 (4-σsfⅡσM的屈服強(qiáng)度由上述公式可知提生試樣中單元體所占的體積分?jǐn)?shù)可使試樣4.7deflectiontoughening），主要是由于基體與強(qiáng)化相的彈性模量的差異、界面圖 單元體阻礙裂紋擴(kuò)展機(jī) Theschematicdiagramofunitpreventcrackfrom4.8（a）所示，當(dāng)接4.8（b）為條紋狀單元體阻礙疲勞裂紋4.8（c）為網(wǎng)格狀單元體阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展的示意圖，其將條紋狀與網(wǎng)格狀單元體阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展的作用稱之為堤壩效應(yīng)[]，首消耗額外的能量使得裂擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力降低部紋因擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力不足而在單元體處終止使得裂紋疲勞磨損能力的增強(qiáng)作用優(yōu)于條紋狀單元體。4.8不同單元體形狀的試樣阻礙裂紋擴(kuò)展示意圖（a）（b）條紋狀；(c) Theschematicdiagramofdifferentshapedunitspreventcrackfrompropagating:(a)punctateunits,(b)striateunits,(c)reticulateunitsD0、D1、D2、D344.94.10圖 不同單元體形狀的仿生試樣的有限元分析模 Modelsinfiniteelementysisofbiomimeticsamplesdifferentunit由圖4.10中可以看出，由于仿生單元體的存在，仿生試樣單元體處的平均4.10 Surfacestressofbiomimeticsampleswithdifferentunit第五章單元體分布間距對U71MnU71MnA34.15.1D1D25.15.1Table5.1Variousunitdistanceofthebiomimetic SpecimenNo.Unit 34 35363744 45464754G5556575.1Fig.5.1Sketchesofbiomimeticsampleswithdifferentunit失重量對按照表4.1中的參數(shù)加工并進(jìn)行疲勞磨損實(shí)驗(yàn)60小時(shí)，前后均用和擦5.2125mm4m