Технология градиентного усиления материала Fishplate и решение для улучшения усталостных характеристик суставов
Каковы основные формы и причины усталостных повреждений накладных соединений?
К основным формам усталостных повреждений накладных соединений относятся три типа: трещины вокруг болтовых отверстий, износ контактной поверхности и разрушение корпуса. Трещины вокруг отверстий для болтов являются наиболее распространенной формой повреждения. Причина в том, что коэффициент концентрации напряжений в отверстиях для болтов достигает 3,0, и под действием знакопеременных нагрузок колесных-рельсов в первую очередь возникают усталостные трещины вокруг отверстий. Причиной износа контактной поверхности является то, что смещение рельса в месте соединения вызывает относительное скольжение между накладкой и рельсом. Трение скольжения приведет к отслаиванию металла на контактной поверхности. Когда глубина износа превышает 0,5 мм, это влияет на степень посадки соединения. Причиной разрушения корпуса является недостаточная усталостная прочность материала накладки. Когда трещина достигнет критической длины, накладка внезапно сломается. Повреждения такого рода чаще всего возникают в местах соединения тяжелых-магистральных линий. Усталостное повреждение соединений накладок также тесно связано с процессом установки. Недостаточный момент затяжки болтов приведет к увеличению зазоров в стыках и усилению концентрации напряжений; чрезмерный крутящий момент приведет к пластической деформации накладки и снижению ее усталостной прочности. Кроме того, факторы окружающей среды также являются важными стимулами для нанесения ущерба. Коррозия прибрежных линий ускорит распространение трещин, а низкая температура в альпийских линиях снизит прочность накладок и увеличит риск их разрушения.
Каков основной технический принцип градиентного усиления материала накладок?
Основной технический принцип градиентного упрочнения материала накладок заключается в реализации скоординированного улучшения ударной вязкости матрицы и поверхностной прочности. Благодаря составному процессу «матричной закалки и отпуска + обработки поверхности закалкой» на накладке накладка образует градиентное распределение производительности. При матричной закалке и отпуске применяется процесс «закалка + высокотемпературный отпуск». Накладная пластина нагревается до 860-880 градусов для закалки, а затем закаляется при 580-600 градусов при высокой температуре, так что матрица приобретает закаленную структуру сорбита, которая обладает превосходной вязкостью и ударопрочностью. Энергия удара индекса прочности больше или равна 50 Дж (-20 градусов). При поверхностной закалке применяется процесс индукционной закалки, при котором локально нагреваются части концентрации напряжений, такие как контактная поверхность и периферия болтового отверстия накладки. Температура нагрева контролируется на уровне 900-920 градусов, а затем быстро охлаждается, так что поверхность образует закаленную мартенситную структуру толщиной 2-3 мм, твердость поверхности может достигать HRC55-60, что значительно повышает износостойкость и усталостную прочность поверхности. Ключом к усилению градиента является контроль производительности переходного слоя. Толщина переходного слоя контролируется на уровне 1-2 мм, чтобы обеспечить плавный переход между матрицей и поверхностью, избегая новой концентрации напряжений, вызванной внезапными изменениями характеристик. Благодаря обработке с градиентным усилением накладная пластина может одновременно отвечать двойным требованиям к характеристикам: «ударопрочность матрицы и износостойкость поверхности», адаптируясь к сложной стрессовой среде сустава.
Каковы технологические мероприятия по усилению износостойкости контактных поверхностей накладок?
Технологические мероприятия по повышению износостойкости контактных поверхностей накладок в основном включают три вида: индукционную закалку, плазменную сварку и азотирование поверхности. Индукционная закалка является наиболее распространенным процессом. Он нагревает контактную поверхность за счет электромагнитной индукции, увеличивает твердость поверхности выше HRC55, а износостойкость более чем в 3 раза выше, чем у необработанных накладок, которые могут эффективно противостоять скользящему износу контактной поверхности. В процессе плазменной сварки напылением на контактную поверхность распыляется порошок сплава на основе железа-, толщина слоя распылительной сварки контролируется на уровне 3-4 мм, твердость может достигать HRC60-65, а износостойкость в 2 раза выше, чем у процесса индукционной закалки, который подходит для упрочнения накладок в линиях большой грузоперевозок. В процессе азотирования поверхности используется метод газового азотирования. При температуре 520-540 градусов атомы азота проникают в поверхность накладки, образуя азотированный слой толщиной 0,3-0,5 мм, твердость поверхности может достигать HV900-1000. Азотированный слой обладает превосходной износостойкостью и коррозионной стойкостью, что подходит для накладных пластин в прибрежных агрессивных средах. Независимо от выбранного процесса контактная поверхность должна быть предварительно обработана. Поверхностные оксидные окалины и дефекты удаляются путем шлифования, а шероховатость поверхности контролируется на уровне ниже Ra1,6 мкм, чтобы обеспечить эффект процесса упрочнения. После упрочняющей обработки необходимо проверить точность контактной поверхности, чтобы убедиться, что плоскостность и точность размеров контактной поверхности соответствуют проектным требованиям и не влияют на степень посадки соединения.
Какова конструктивно-технологическая схема повышения усталостной прочности отверстий под болты накладок?
В конструкции и технологической схеме усиления усталостной прочности отверстий под болты накладок используется комбинированная стратегия «оптимизация формы отверстия + усиление периферии отверстия». Оптимизация формы отверстия меняет традиционное круглое отверстие на эллиптическое, а направление длинной оси эллипса соответствует направлению напряжения, что может снизить коэффициент концентрации напряжений вокруг отверстия с 3,0 до менее 1,5, что значительно снижает вероятность возникновения трещины. Для стандартных накладок, форму отверстий которых нельзя изменить, применяется процесс упрочнения прокаткой по периферии отверстия. Внутренняя стенка отверстия под болт холодно-прокатывается прокатным инструментом с образованием вокруг отверстия слоя остаточных сжимающих напряжений толщиной 0,2-0,3 мм. Значение остаточного сжимающего напряжения может достигать от -300 МПа до -400 МПа, что может эффективно компенсировать эффект переменного растягивающего напряжения и задерживать распространение трещин вокруг отверстия. Для усиления периферии отверстия также может быть использован процесс лазерной закалки для локальной закалки периферии отверстия для болта с образованием закаленного кольца шириной 5-8 мм. Твердость закаленного кольца может достигать HRC55, что повышает износостойкость и усталостную прочность периферии отверстия. В схеме проектирования также необходимо учитывать точность посадки между отверстием для болта и болтом, принимая переходную посадку, а зазор посадки контролируется на уровне 0,05-0,1 мм, чтобы избежать концентрации напряжений, вызванной чрезмерным зазором. После реализации технологической схемы необходимы усталостные испытания для проверки усталостной прочности отверстий болтов на отсутствие трещин вокруг отверстий при 1 миллионе знакопеременных нагрузок.
Каковы основные показатели и стандарты оценки для определения усталостных характеристик накладных соединений?
Основные показатели для определения усталостных характеристик накладных соединений включают три категории: усталостная долговечность, напряжение вокруг отверстий для болтов и износ контактной поверхности. Для определения усталостной долговечности используется стенд для испытаний на усталость суставов, моделирующий ударные нагрузки на колесные-рельсы. Соединения накладок высокоскоростных-железнодорожных линий должны выдерживать 5 миллионов циклов нагрузки без повреждений, соединения для тяжелых-магистральных линий должны выдерживать 3 миллиона циклов нагрузки без повреждений, а соединения для обычных-скоростных линий должны выдерживать 2 миллиона циклов нагрузки без повреждений. Для обнаружения напряжений вокруг отверстий под болты используется метод тензометрических испытаний. Вокруг отверстий наклеиваются тензодатчики для измерения величины напряжения при знакопеременных нагрузках. Значение напряжения должно быть ниже предела выносливости материала накладки, а коэффициент концентрации напряжений должен быть меньше или равен 1,5. Обнаружение износа контактной поверхности измеряется профилометром. После моделирования циклов нагрузки аттестуется глубина износа контактной поверхности менее или равная 0,2 мм, чтобы гарантировать отсутствие влияния на степень посадки соединения. Стандарт оценки заключается в том, что все показатели обнаружения соответствуют стандартам, усталостная долговечность соединения накладок соответствует проектным требованиям, а уровень квалификации той же партии накладок превышает или равен 98%. Кроме того, также необходимо определить такие показатели, как точность размеров и распределение твердости накладки, чтобы обеспечить эффект процесса градиентного усиления. Неквалифицированные продукты должны быть переработаны или утилизированы, чтобы обеспечить безопасность инженерных применений.