Оптимизация процесса термообработки накладных пластин и схема повышения усталостной прочности рельсовых соединений
Каков механизм усталостного разрушения и основные факторы, влияющие на шарнирное соединение?
Механизм усталостного разрушения шарнирного соединения:зарождение и распространение трещин при переменных напряжениях. В процессе эксплуатации поезда в стыке рельсов происходит определенная мутация жесткости. Нагрузка от колеса-рельса передается на накладку через рельс, в результате чего накладка испытывает повторяющиеся растягивающие и сжимающие переменные напряжения вокруг отверстий для болтов и на концах. Микротрещины сначала зарождаются в зонах концентрации напряжений, а под действием знакопеременных напряжений микротрещины продолжают распространяться. Когда длина трещины достигает критического значения, накладка разрушается. К основным факторам воздействия можно отнести три аспекта: во-первых,Факторы производительности материала. Если сталь 45#, обычно используемая для изготовления накладок, не подвергается разумной термической обработке, ее прочность на разрыв и ударная вязкость недостаточны, а в зонах концентрации напряжений могут возникнуть трещины; второй,структурные факторы. Периферия отверстий под болты и концы накладок являются зонами концентрации напряжений. Если на периферии отверстий нет фаски, коэффициент концентрации напряжений будет значительно увеличен, что ускорит зарождение трещин; третий,факторы процесса. Необоснованные параметры процесса термообработки, такие как слишком низкая температура закалки и недостаточное время отпуска, приведут к неравномерности металлографической структуры накладки, остаточным напряжениям и снижению усталостной прочности. Кроме того, условия технического обслуживания линии также влияют на усталостное разрушение. Чрезмерный перепад высот в месте стыка рельсов увеличит дополнительную нагрузку на накладку и сократит срок службы.
Каковы основные параметры процесса и методы оптимизации термообработки закалки и отпуска накладных пластин?
Основной процесс закалки и отпуска термообработки накладных пластин являетсязакалка +высоко-отпуск. Основные параметры процесса включают пять аспектов: температуру закалки, время выдержки, скорость охлаждения, температуру отпуска и время отпуска. Для стальных накладок 45# оптимизированный диапазон температуры закалки составляет 830-850 градусов. Слишком низкая температура приведет к недостаточной аустенизации, и в металлографической структуре появится нерастворенный феррит, снижающий прочность накладки; слишком высокая температура приведет к образованию крупных зерен и снижению ударной вязкости. Время выдержки регулируется в зависимости от толщины накладной пластины. Для накладных пластин толщиной 20 мм время выдержки оптимизировано до 60-90 минут, чтобы обеспечить полную аустенитизацию внутри материала. Скорость охлаждения принимает методзакалка водой и охлаждение маслом. Закаленную пластину сначала охлаждают до 300 градусов в воде, затем переносят в масло для охлаждения. Этот метод позволяет снизить напряжение закалки и избежать растрескивания накладки. Температура отпуска оптимизирована до 550-580 градусов, а время отпуска оптимизировано до 120-150 минут. Высокотемпературный отпуск может превратить металлографическую структуру в отпущенный сорбит, который обладает как высокой прочностью, так и высокой ударной вязкостью, а также может значительно улучшить сопротивление усталости. В методе оптимизации используется метод ортогональных испытаний с прочностью на разрыв и ударной вязкостью в качестве показателей оценки, а также оптимизируется комбинация пяти параметров процесса для окончательного определения оптимальной комбинации параметров, так что прочность на разрыв накладной пластины превышает или равна 650 МПа, а ударная вязкость превышает или равна 30 Дж/см².
Каков процесс обработки поверхности для упрочнения и функция периферии болтового отверстия накладной пластины?
Обработка поверхностного усиления периферии болтового отверстия накладной пластины представляет собой сложный процесс:прокатное упрочнение + науглероживание. Упрочнение прокаткой – это первый процесс. Специальный раскаточный инструмент используется для оказания давления на поверхность вокруг отверстия для болта, вызывая пластическую деформацию поверхности вокруг отверстия, образуя наклепанный -слой толщиной 0,2-0,3 мм. Твердость нагарченного слоя может достигать HV350 и более, что на 30 % выше твердости матрицы. Упрочнение прокаткой также может снизить шероховатость поверхности вокруг отверстия до уровня ниже Ra0,8 и уменьшить источники концентрации напряжений. Обработка цементацией – это второй процесс. Прокатанная накладка помещается в печь цементации и выдерживается при температуре 920-940 градусов в течение 4-6 часов, чтобы позволить атомам углерода проникнуть в поверхность вокруг отверстия. Толщина науглероженного слоя контролируется в пределах 0,8-1,0 мм, содержание углерода в науглероженном слое составляет 0,8-1,0%. После цементационной обработки необходим низкотемпературный отпуск при температуре 180-200 градусов в течение 60 минут для устранения остаточных напряжений, возникающих в процессе цементации. Процесс упрочнения композита имеет две основные функции: во-первых, он улучшает твердость и износостойкость поверхности вокруг отверстия, предотвращая трение и износ между болтом и периферией отверстия; во-вторых, он формирует на поверхности вокруг отверстия остаточные сжимающие напряжения, которые могут компенсировать часть знакопеременных растягивающих напряжений, снизить вероятность зарождения трещин и повысить усталостную прочность накладки более чем на 40%.
Каковы различия в проектировании процессов термообработки между накладками национального и зарубежного стандартов?
Различная конструкция процессов термообработки между накладками национального и зарубежного стандартов обусловлена различиями в их материалах и требованиях к обслуживанию. В накладках национального стандарта в основном используется сталь 45#, адаптированная к рельсам национального стандарта 60 кг/м и 75 кг/м, тогда как в накладках иностранного стандарта в основном используется сталь европейского стандарта C45E, адаптированная к рельсам UIC60 и UIC54.Дифференциация процесса закалки: Температура закалки стальных накладок 45# национального стандарта составляет 830-850 градусов, с использованием водяной закалки и масляного охлаждения; Температура закалки стальных накладок C45E иностранного стандарта составляет 820-840 градусов с использованием воздушного охлаждения. Поскольку сталь C45E обладает лучшей прокаливаемостью, однородную мартенситную структуру можно получить путем воздушного охлаждения, избегая риска растрескивания, вызванного водяным охлаждением.Дифференциация процесса закалки: Температура отпуска пластин национального стандарта составляет 550-580 градусов, а время отпуска составляет 120 минут, с целью получения закаленной структуры сорбита; Температура отпуска накладок иностранного стандарта составляет 520-550 градусов, а время отпуска составляет 150 минут, с целью получения закаленной структуры троостита, которая имеет более высокую прочность и подходит для нужд европейских тяжеловесных линий.Дифференциация поверхностного усиления: Накладные пластины национального стандарта используют процесс композитного упрочнения прокатки + цементации; Накладные пластины иностранных стандартов используют процесс дробеструйной упрочнения, который может образовывать остаточное сжимающее напряжение на всей поверхности накладок, что более подходит для режима технического обслуживания европейских линий.
Каковы объекты испытаний и стандарты приемки качества термообработки накладных пластин?
Объекты проверки качества термической обработки накладных пластин включают четыре основных пункта:металлографические испытания структуры, испытания механических свойств, испытания на поверхностную твердость и испытания на остаточное напряжение.. При металлографическом исследовании структуры используется металлографический микроскоп для наблюдения за микроструктурой пластины. Квалифицированная структура накладных пластин национального стандарта представляет собой закаленный сорбит, размер зерна больше или равен 8, отсутствие сетчатого феррита или крупных зерен не допускается; Квалифицированная структура накладных пластин иностранного стандарта представляет собой закаленный троостит, размер зерна больше или равен 7. Испытания механических свойств включают прочность на разрыв, предел текучести, удлинение и ударную вязкость. Для накладок национального стандарта: предел прочности на разрыв больше или равен 650 МПа, предел текучести больше или равен 355 МПа, удлинение больше или равно 16 %, ударная вязкость больше или равна 30 Дж/см²; для накладок иностранного стандарта: предел прочности на разрыв более или равен 700 МПа, предел текучести более или равен 400 МПа, удлинение более или равно 14 %, ударная вязкость более или равна 25 Дж/см². При испытании на твердость поверхности используется твердомер Роквелла для определения твердости вокруг отверстий под болты. Твердость поверхности накладок национального стандарта составляет HRC28-32, а накладок иностранного стандарта - HRC30-35. При испытании на остаточное напряжение используется рентгеновский прибор для измерения напряжения для обнаружения остаточного напряжения вокруг отверстий для болтов. Значение остаточного напряжения сжатия должно быть больше или равно 100 МПа, остаточное напряжение растяжения не допускается. Стандартом приемки является то, что все четыре пункта тестирования являются квалифицированными. Доля выборки каждой партии рыбных пластин составляет не менее 5%. При наличии неквалифицированных позиций требуется двойной отбор проб. Если они по-прежнему неквалифицированны, вся партия будет утилизирована.