激光离散淬火对轮轨材料磨损与接触疲劳寿命影响

摘要

随着铁路运输高速化与重载化的快速发展，轮轨磨损与疲劳损伤问题变得日益严重，对轮轨材料进行激光表面处理是一种先进的技术手段。激光离散淬火处理技术通过在材料表面加工出一定规则排列的激光硬化区域，来避免回火软化的搭接区，形成激光硬化区与基体软硬相间的结构。激光离散技术在轮轨材料表面的运用，具有提高耐磨性与抗疲劳性能的作用，有利于延长轮轨的服役寿命。
　　论文采用CO2激光器在轮轨试样表面进行激光离散淬火处理，研究了激光功率和激光淬火时间对轮轨试样淬火层表面硬度、表面质量及淬硬层深度的影响;在获得最佳的激光工艺参数基础上，在轮轨试样表面加工出三种不同激光淬火间距。在干态和水介质条件下，利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机分别对最佳工艺参数下激光离散淬火轮轨试样的磨损与接触疲劳寿命进行了研究。
　　论文研究主要结论如下:
　　(1)在激光淬火光斑尺寸Φ5mm、离焦量32.5mm情况下，轮轨试样最佳激光离散淬火工艺参数为激光功率900W、淬火时间0.6s。
　　(2)轮轨试样磨损率随激光淬火间距的增大而增加，其中0.3mm淬火间距轮轨试样的减磨效果最好，车轮和钢轨试样的磨损率分别降低约35.7％和66.8％;随激光淬火间距的增大，未处理区的损伤变得严重，由小块剥落向大块剥落损伤转变，淬火区塑性变形厚度增加，剖面损伤变得严重。
　　(3)干态下轮轨试样均激光离散淬火处理后磨损率显著降低，轮轨系统平均磨损率减小约49.2％，单一激光离散淬火车轮或钢轨试样能大幅减轻处理试样的磨损，但同时会加剧对摩试样的磨损;激光离散淬火处理后的轮轨试样表面损伤明显减轻，主要磨损机制为疲劳磨损，淬火区之间的基体区域表面以小块剥落为主并伴随一定的疲劳磨损;激光离散淬火能够增强材料的抗塑性变形能力，抑制裂纹的萌生，同时能够保护相邻基体材料，阻碍裂纹的扩展，从而提高了轮轨材料的抗疲劳性能。
　　(4)水介质条件下，轮轨试样均激光离散淬火处理和单一处理车轮试样的接触疲劳寿命分别提高约101.9％和75.2％，而单一钢轨处理导致车轮试样提前失效，疲劳寿命降低约47.6％;轮轨试样均处理后失效试样表面和剖面损伤明显减轻，仅在两淬火区之间的基体区产生相对较小的剥离坑，处理试样的抗疲劳剥离性能显著提高;在淬火区未发现疲劳裂纹，在基体区的小块剥离坑底部产生裂纹，且扩展方向单一，在基体材料内部沿着淬火相变区域边缘方向扩展。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铁路发展现状

1．2 轮轨损伤

1．2．1 车轮损伤

1．2．2 钢轨损伤

1．3 激光淬火处理技术

1．3．1 激光表面淬火原理及应用

1．3．2 激光离散淬火原理

1．3．3 激光淬火技术在轮轨损伤方面研究

1．4 论文研究意义及研究内容

第2章 轮轨材料激光淬火工艺参数优化

2．1 淬火层的制备与工艺参数优化

2．1．1 激光工艺参数对硬度的影响

2．1．2 激光工艺参数对表面质量的影响

2．1．3 激光工艺参数对淬硬层深度的影响

2．1．4 最优激光工艺参数的确定

2．2 激光淬火层组织及其性能

2．2．1 激光淬火层组织

2．2．2 激光淬火层显微硬度

2．3 小结

第3章 试验简介

3．1 MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机

3．1．1 试验机工作原理

3．1．2 试验机参数与工作条件

3．1．3 试验机主要用途

3．2 模拟试验

3．2．1 模拟接触载荷

3．2．2 试验参数

3．3 试验主要工作

3．3．1 试验前工作

3．3．2 试验后工作

第4章 激光离散淬火间距对轮轨材料磨损性能影响

4．1 试样制备

4．2 磨损率

4．3 表面磨损形貌

4．4 塑性变形

4．5 剖面损伤

4．6 现场工况激光淬火间距优化

4．7 小结

第5章 激光离散淬火对轮轨材料磨损与接触疲劳寿命影响

5．1 激光离散淬火对轮轨材料磨损与损伤性能影响

5．1．1 磨损率

5．1．2 磨痕表面形貌

5．1．3 塑性变形

5．1．4 剖面损伤

5．2 激光离散淬火对轮轨材料接触疲劳寿命影响

5．2．1 接触疲劳寿命

5．3．2 磨痕表面形貌

5．3．3 疲劳裂纹

5．3 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目