60Si2CrVAT弹簧钢表面完整性及组织控制对疲劳性能的影响

摘要

高速列车转向架弹簧在工作中承受较大的动载荷和冲击载荷，是决定安全运行的关键件之一。然而国内关键零部件普遍存在寿命短、可靠性差等主要问题，为此本文通过控制60Si2CrVAT弹簧钢显微组织和采用不同表面强化来研究显微组织及表面完整性对疲劳性能的影响规律。参照弹簧热卷制过程，利用DIL805A/T热模拟机研究了弹簧钢高温拉伸变形行为；通过控制淬火冷却速率得到不同组织，并进行疲劳试验；采用车削、磨削、喷丸和超声滚压对两种组织试样进行表面处理，对比疲劳性能；使用OM、SEM、X射线应力仪、TEM和EBSD等方法研究显微组织和表面完整性对疲劳性能影响的机理，由此建立、完善抗疲劳制造技术在弹簧中的应用，进而优化弹簧生产工艺，为今后弹簧生产提供理论依据及技术指导。得到以下主要结论：
　　1.弹簧钢高温拉伸曲线表现出典型的动态再结晶特征，建立了动态再结晶方程，最终得到弹簧热卷制工艺参数为变形温度950~1000℃，应变速率为0.01~1s-1；建立了包含应力σ、应变速率??、变形温度T和变形量ε的热变形本构方程；由热加工图可知，失稳区易发生在高应变速率区。
　　2.弹簧钢经13％PAG淬火疲劳极限(781.5MPa)比油淬高(714.0MPa)的原因是：PAG淬火试样组织中分布更多的纳米孪晶；马氏体板条块和板条更加细化，碳化物呈均匀细小弥散分布，而油淬火碳化物较粗大的沿马氏体板条界和原奥氏体晶界分布，且油淬火试样小于PAG淬火试样。
　　3. PAG淬火喷丸提高了疲劳寿命，滚压后寿命降低；而油淬火喷丸和滚压都较明显提高了疲劳寿命。油淬火试样疲劳极限为714MPa，喷丸后疲劳极限提升到771MPa；PAG淬火疲劳极限为782 MPa，喷丸后疲劳极限为812MPa。疲劳断口呈鱼眼状形貌，喷丸和滚压将疲劳源推向试样内部，特别是油淬火滚压样疲劳源接近试样中心，断口成台阶状，而PAG淬火滚压断口非常平整。
　　4.所有状态表面均为残余压应力，滚压超过1000MPa，PAG淬火残余应力高于油淬。最大残余应力位于次表层约80μm处，残余应力随深度增加增大到最大压应力后开始缓慢降低直至为零，喷丸残余应力深度约为300μm，滚压为700μm左右。喷丸和滚压试样表层组织得到细化，出现明显的变形层，喷丸变形层厚度约为140μm、滚压为280μm左右。表层组织呈现由表面到心部逐渐粗化的梯度分布形式，滚压表层组织难以分辨，细化程度和层深明显大于喷丸。
　　5.油淬火喷丸、滚压和 PAG淬火喷丸疲劳性能的提高主要得益于表层残余压应力、表层强化，以及梯度组织的形成。而PAG淬火滚压寿命降低是由于PAG淬火试样硬度高，在高频冲击滚压过程组织碎化的同时很容易形成微裂纹，在外加载荷作用下，加上残余压应力的释放促使裂纹快速扩展。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2铁路用弹簧的现状

1.3疲劳研究概况

1.4 弹簧疲劳性能的影响因素

1.5铁路用弹簧生产存在的问题

1.6 本文主要的研究目的、内容与技术路线

第二章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第三章 60Si2CrVAT弹簧钢组织控制及其对力学性能的影响

3.1 60Si2CrVAT弹簧钢高温拉伸变形行为研究

3.2 PAG浓度和温度对60Si2CrVAT弹簧钢力学性能的影响

3.3淬火冷却速率对60Si2CrVAT弹簧钢高周疲劳性能的影响

第四章 不同表面处理对弹簧钢疲劳性能的影响

4.1 引言

4.2不同表面处理对弹簧钢疲劳性能的影响

4.3不同表面处理对弹簧钢表面完整性的影响

4.4小结

第五章 显微组织与表面完整性对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响机理

5.1显微组织对疲劳性能的影响机理

5.2显微组织、表面完整性对疲劳性能的影响机理

第六章 结论

参考文献

致谢

发表的论文和参加科研情况