超声冲击改善16MnR焊接接头疲劳寿命的原因细分研究

摘要

随着我国综合国力的不断提高,铁路作为拉动内需、刺激经济的重要纽带,具有能耗低、速度高、污染轻、运能大等诸多经济优点,越来越受到国家的重视。转向架作为铁路列车的重要组成部分,其抵抗疲劳断裂的能力正随着铁路列车的提速而面临更大的挑战,作为转向架基本连接形式的焊接更是如此。
　　本文以16MnR这种转向架常用的低合金钢作为试验材料,研究经过超声冲击处理之后,得到大幅度改善的残余应力、晶粒细化、应力集中等因素在提高16MnR对接接头疲劳寿命过程中所能起到的作用能达到何种程度。试验数据对比分析后结论如下:
　　首先,分析残余应力方面:16MnR对接接头焊态试样经过600℃热处理后,其疲劳寿命较焊态试样降低37.8％。说明热处理消除了残余拉应力的同时软化了材质。同时,16MnR对接接头经过超声冲击及200℃低温热处理后,其疲劳寿命较未热处理试样降低9.0%。说明焊趾区域有剧烈塑性变形,并引入了对提高疲劳强度有益的残余压应力,同时其晶粒得到细化,强化了表面组织。
　　其次,分析晶粒细化方面:16MnR对接接头经过15min超声冲击及200℃低温热处理,当焊趾区域平滑过渡时,其疲劳寿命较线切割给定过渡半径及500℃热处理试样提高至少179%;如果焊趾区域有明显缺陷时,则只能提高111.9%。说明超声冲击处理使焊趾区域出现明显的晶粒细化现象,而焊趾区域的剧烈塑性变形,使其表面形貌也得到了一定的改善。同时,16MnR对接接头磨平焊缝,经过超声冲击及200℃低温热处理,由于焊趾区域存在凹陷以及缺口等缺陷,经过6min超声冲击处理后试样较超声冲击处理3min试样的疲劳寿命提高49.7%。说明超声冲击处理改善了焊趾处的凹陷等缺陷,在一定时间范围内,冲击时间越长,焊趾处的塑性变形越剧烈,晶粒细化程度越高,对焊趾处形貌改善越好。
　　最后,分析应力集中方面:16MnR对接接头经线切割消除缺陷之后,其疲劳寿命较焊态试样提高了7倍以上;磨平焊缝之后,焊缝及附近光滑的试样其疲劳寿命甚至提高10倍以上。线切割之后仍存在缺陷的试样其疲劳寿命较焊态试样降低了23.9%;磨平焊缝之后仍存在缺陷的试样其疲劳寿命降低了10.4%。说明随着高应力集中处的消除,可能导致的疲劳裂纹随之消失,同时降低疲劳裂纹的形核几率,焊趾区域的几何形貌越平滑,其疲劳寿命越高。同时,16MnR对接接头经过10min大范围超声冲击及200℃的低温热处理,其疲劳寿命较超声冲击小范围试样提高247%。说明在一定时间范围内,作用在同一位置上时间越长,焊趾附近超声冲击区域内的塑性变形更高,进一步减少了由于焊趾区域的缺陷导致的应力集中。
　　综上笔者得出这样的结论:与焊态试样相对比,在一定时间范围内超声冲击处理之后应力集中的改善提高16MnR对接接头疲劳寿命约50%左右,残余压应力提高16MnR对接接头疲劳寿命约15%左右,晶粒细化提高16MnR对接接头疲劳寿命约35%左右。即应力集中的改善对于提高16MnR对接接头的疲劳寿命影响最大,其次是超声冲击处理带来的晶粒细化,最后是超声冲击处理带来的残余压应力。

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第一章 绪论

1.1 研究课题背景及目的意义

1.2 研究课题的现状及分析

1.3 纳米材料的简介

1.4 金属表面纳米化处理技术

1.5 金属表面纳米化国内外研究现状

1.6 超声加工技术的优势

1.7 16MnR钢简介

1.8 本论文主要的研究内容与来源

第二章 试验方案及原理

2.1 试验方案

2.2 超声冲击法发展概述

2.3 超声冲击法的工作原理

2.4 超声冲击方法特点

2.5 超声冲击法国内外的发展现状

2.6 超声冲击装置

2.7 本章小结

第三章 疲劳相关试验方法

3.1 疲劳试验材料

3.2 疲劳试验所需材料的制备

3.3 疲劳试验的试样尺寸

3.4 超声冲击试验

3.5 ATOS光栅扫描试验

3.6 线切割试验

3.8 残余应力测试试验

3.9 对接接头试样的疲劳试验

3.10 扫描电镜试验

3.11 本章小结

第四章 疲劳性能的影响因素及分析

4.1 疲劳的基本概念

4.2 疲劳过程分析

4.3 疲劳寿命的预测

4.4 焊接接头疲劳强度的主要影响因素

4.5 焊接接头疲劳强度的改善与提高

4.6 本章小结

第五章 疲劳相关试验及结果分析

5.1 超声冲击处理改善焊接接头焊趾区域性能

5.2 16MnR对接接头测试及试验结果

5.3 试验结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结

6.1 主要工作回顾

6.2 本课题研究不足及今后的改进

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢