表面豪克能超聲滾壓處理對高速列車車軸鋼疲勞性能的影響
Effects of Surface Ultrasonic RollingProcessing on Fatigue Properties ofAxle Steel Used on High Speed Train
任學沖1﹐陳利欽2,劉鑫貴3,項彬3,林國標3
(1 北京科技大學國家材料服役安全科學中心,北京100083;
2北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083 ;3中國鐵道科學研究院金屬與化學研究所,北京100081)
摘要:
對EA4T型高速列車車軸鋼棒狀旋轉彎曲疲勞試樣實驗段磨削加工后進行了表面豪克能滾壓處理,觀察了處理前后試樣的表面形貌及表層微觀組織,測量了處理前后試樣的表面粗糙度、表層硬度及表層殘余應力。利用旋轉彎曲疲勞實驗得到處理前后試樣的疲勞極限。結果表明:表面豪克能滾壓處理后,試樣的疲勞極限由352MPa提高到401MPa。疲勞極限的提高主要由于表面豪克能超聲滾壓處理后試樣表面粗糙度降低表層強度及殘余壓應力增加。
關鍵詞:
車軸鋼；表面豪克能滾壓處理；疲勞極限；表面粗糙度；殘余應力；超聲滾壓
隨著我國高速鐵路的快速發展﹐高速列車運行安全受到越來越高的重視。車軸是高速列車走行系統中最關鍵的受力部件之一[1,承受高周乃至超高周的旋轉彎曲交變載荷作用﹐其失效形式多為疲勞破壞[23]。因此提高車軸的疲勞性能﹐保證其運行安全,延長其服役壽命具有重要的經濟和社會價值。
研究表明,疲勞裂紋主要萌生于車軸的表面[,表面狀態對車軸的疲勞性能有著至關重要的影響。因此如何選用一種合適的表面強化方法﹐從而有效地改善材料的表面狀態以提高車軸的疲勞壽命,已經成為近些年來國內外學者的關注重點。日本新干線車軸采用中頻感應加熱淬火方法使表面產生殘余壓應力來提高車軸疲勞性能[5]﹐其特點是殘余應力深度較大,可達數毫米,但對工藝及設備要求較高。目前我國對于提高車軸疲勞性能的技術及方法還沒有建立起相關規范和標準。
表面豪克能滾壓處理(SURP)技術是將高頻沖擊和滾壓相結合,對金屬表面進行微幅高速撞擊和滾壓處理,使金屬表面產生塑性變形,從而改善金屬表面狀態的新技術[ 6]。與其他表面強化技術,如噴丸、滾壓等相比,SURP工藝簡單﹐加工效率較高;可獲得更好的表面光潔度[及深度更大且均勻分布的表層殘余應力及形變組織l8,這些特點對改善材料表面質量和提高材料疲勞性能方面具有獨特的優勢。近年來國內外學者對表面豪克能強化機理及其應用開展了廣泛的研究[6·9-13]。Wang 等[6]研究發現,豪克能沖擊滾壓后表層產生納米尺寸的微觀結構,同時使材料的耐磨性明顯提高。Liu等[10]通過有限元模擬﹐認為累積塑性變形是材料表層晶粒納米化的機制﹐也是表層硬度和殘余壓應力增加的主要原因。郭玉喜等[14]對車軸進行了表面超聲沖擊強化,發現豪克能沖擊強化處理后表面粗糙度明顯改善,表面殘余壓應力得到很大提高。本工作利用SURP技術對高速車軸鋼表面進行處理,分析了處理后試樣的表面狀態,對比了未處理和處理后試樣的疲勞極限,為高速車軸疲勞性能的改善提供參考及依據。
