合金钢制动盘材料的摩擦及表面损伤研究

摘要

制动盘作为轨道车辆的基础制动元件，在服役过程中通过与闸片的强烈摩擦使列车调速或停车制动。在反复制动过程中，制动盘表面承受冷热循环及热机耦合的作用，产生摩擦磨损及表面热斑、龟裂纹及裂纹等问题。因此，开展合金钢制动盘材料的摩擦及表面损伤研究，对深入了解制动盘疲劳失效行为、研发我国自主创新合金钢制动盘材料以及保证列车的行车安全具有重要的理论意义和工程价值。
　　本文以28CrMoV和28CrNiMo两种合金钢制动盘材料为研究对象，采用理论与试验相结合的方法，开展了高温拉伸性能研究、摩擦性能研究以及表面损伤研究。本文主要研究内容和结论如下:
　　(1)基于1∶1制动试验获得的制动盘摩擦面的表层温度，通过对28CrMoV和28CrNiMo两种合金钢制动盘材料进行不同温度的热循环处理，观察显微组织转变和材料显微硬度变化。同时对制动盘进行了有限元热应力分析，阐述了热斑区域由于存在高应力区会诱导制动盘摩擦表面裂纹的萌生和扩展。
　　(2)对比研究了28CrMoV和28CrNiMo两种合金钢制动盘材料在25℃、400℃、600℃，800℃的拉伸性能和显微组织演变，分析了合金元素钒对28CrMoV钢拉伸性能的影响。
　　(3)根据1∶1动力台上开展的紧急制动试验获得的制动盘摩擦面的温度变化，对制动盘材料进行3种制动条件温度循环热模拟试验。研究了两种合金钢制动盘材料热斑区域和非热斑区域不同温度下的摩擦磨损性能和第三体形成演变机制。研究发现，热斑区域易磨损或出现磨损过渡等失效形式。
　　(4)对制动盘材料进行了35℃～400℃循环和40℃～600℃循环的冷热疲劳试验。通过对热疲劳裂纹扩展以及微结构的研究，分析了影响制动盘材料裂纹扩展的因素，研究表明28CrMoV材料的抗冷热疲劳性能要优于28CrNiMo材料。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景

1．2 国内外相关研究现状综述

1．2．1 制动盘材料研究现状

1．2．2 钢质制动盘材料表面损伤研究现状

1．3 合金元素在钢中的作用及钢的强韧化机制

1．4 摩擦磨损机理

1．4．1 摩擦机理

1．4．2 磨损机理

1．4．3 影响材料摩擦磨损性能的因素

1．5 本文的主要研究内容

2 制动过程中的热应力有限元分析

2．1 制动盘1∶1动力制动试验

2．2 制动盘摩擦表层的组织转变研究

2．3 制动盘-闸片不同接触条件下的热应力状态

2．3．1 不同接触条件下的温度场模拟

2．3．2 不同接触条件下的应力场模拟

2．4 本章小结

3 制动盘材料力学性能及组织转变研究

3．1 试样制备与实验方法

3．1．1 试样制备

3．1．2 试验方法

3．2 试验结果与讨论

3．2．1 原始显微组织

3．2．2 拉伸性能和断口形貌

3．2．3 微结构演化分析

3．3 本章小结

4 制动盘材料摩擦性能研究

4．1 摩擦试验设备和材料

4．1．1 试验设备和材料

4．1．2 摩擦磨损试验参数确定

4．1．3 试验结果

4．2 未经过热循环处理制动盘材料摩擦性能研究

4．2．1 摩擦磨损性能

4．2．2 摩擦表面形貌

4．3 经过热循环处理制动盘材料摩擦性能研究

4．3．1 摩擦磨损性能

4．3．2 摩擦表面形貌

4．4 本章小结

5 制动盘材料表面损伤研究

5．1 试验设备与试样

5．1．1 试验设备

5．1．2 试验材料及试样

5．1．3 试验方案及方法

5．2 35℃～400℃循环热疲劳裂纹扩展特征

5．3 40℃～600℃循环热疲劳裂纹扩展特征

5．3．1 热疲劳裂纹扩展过程分析

5．3．2 热疲劳裂纹整体特征

5．4 热疲劳裂纹微观形貌

5．5 本章小节

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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