车轴钢中氢扩散行为研究

发布时间：2020-08-18 18:39

【摘要】：车轴作为列车的关键零部件之一,其质量的好坏直接关乎列车能否安全有效地运行。而由氢导致的在车轴钢表面形成的鼓泡是车轴失效的原因之一,氢鼓泡的形成与氢在钢中的扩散有关。为了探究车轴钢中的氢扩散行为及氢鼓泡的形成条件,本文采用电化学充氢法研究了30NiCrMoV12、DZ1、DZ2三种高速车轴钢以及LZ45CrV重载车轴钢的氢渗透特性以及产生氢鼓泡的临界氢浓度。利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜/能谱(TEM/EDS)等表征手段分析车轴钢中氢的扩散机理。研究结果表明:(1)四种试验钢的氢渗透特性表现出了相同的变化规律,即随着充氢电流密度I_∞的增大,试验钢的表观氢扩散系数D_(ap)随之增大,当I_∞达到一定值时,继续增大I_∞,D_(ap)不在增大,达到稳定值,此时的D_(ap)即可近似认为试验钢的氢扩散系数D_0。通过对比分析四种试验钢的D_0以及产生氢鼓泡的临界充氢电流密度I_0~*和临界氢浓度C*后发现,四种试样钢D_0呈现出了与I_0~*、C*相反的变化规律,即随着D_0的减小,I_0~*和C*都随之增大。其中,30NiCrMoV12试样钢的D_0最小,只有0.288×10~-66 cm~2/s,C*最大,高达41.93 wppm;而DZ2的D_0最大,值为3.100×10~-66 cm~2/s,C*最小,只有11.01wppm,30NiCrMoV12试样钢较DZ2相比,氢扩散系数低了一个数量级,而要产生氢鼓泡所需要的临界氢浓度高出了30.92 wppm,表明其抗氢脆敏感性最好。(2)力学性能对钢的氢扩散行为有重要影响,一般情况下,随着抗拉强度的升高,钢的抗氢脆敏感性往往降低。室温下力学测试结果表明,四种试验钢均表现出了良好的综合力学性能。通过对金相组织观察以及原奥氏体晶粒度评级可知,三种高速车轴钢的组织都为回火索氏体,且晶粒度级别都在8级以上,重载车轴钢的组织则由细小、均匀分布的铁素体+珠光体组成。通过对比分析力学性能与氢扩散行为的关系可知,车轴钢的屈服强度以及断面收缩率与氢扩散行为没有必然的联系,而随着抗拉强度的增加以及断后伸长率的减小,车轴钢的D_0随之减小、C*随之增大。其中,30NiCrMoV12试样钢的抗拉强度虽然高达1038 MPa,却表现出了良好的抗氢脆敏感性,这与其化学成分、组织结构以及良好的塑韧性有关。(3)四种试验钢氢扩散行为存在差异的根本原因是由于不同成分以及不同热处理条件下产生的氢陷阱的种类以及数量等存在差异。经两次正火+一次回火热处理工艺处理后的LZ45CrV车轴钢,具有组织均匀、晶粒细小、P片间距小以及较大的VC粒子均匀析出在F中的特征。晶界、相界以及VC粒子作为氢陷阱减少了氢渗透和扩散的能力,增加了氢的固溶。因此,LZ45CrV车轴钢具有较低的氢扩散系数和高的产生氢鼓泡的临界氢浓度。经一次回火+调质处理后的三种高速车轴钢中的氢陷阱主要是以呈棒状以及等轴状Fe_3C型第二相析出物为主,其中30NiCrMoV12试验钢中还存在少量呈球状的Mo_2C型碳化物。大量沿着马氏体板条方向均匀析出的Fe_3C型碳化物作为氢的不可逆强陷阱以及在F基体内固溶的作为可逆氢陷阱的Ni,使得30NiCrMoV12试样中固溶的氢含量高、且氢原子分布均匀,使得氢扩散系数低、产生氢鼓泡的临界氢含量高。对于DZ1以及DZ2试验钢而言,碳化物的数量虽然基本相同,但是DZ1试验钢中F基体上析出的Fe_3C型碳化物尺寸较大,且部分粗化的碳化物呈不规则多边形状析出,与DZ2试验钢相比,固溶的氢原子数量多,氢扩散系数较小。SEM以及TEM测试结果表明,DZ1试验钢中F基体上析出的碳化物整体分布不均匀、而DZ2试验钢中的析出物主要沿着再结晶晶界处聚集析出,从而导致DZ1以及DZ2试验钢中氢原子在析出物聚集处富集,使得产生氢鼓泡的临界氢浓度较低。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

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图 1-1 铁路车轴各组成部位示意图e 1-1 Schematic drawing of various sections of a railw指用于生产火车车轴的专业用钢。车轴钢一车轴钢可分为碳素钢和合金钢两大类。车轴钢研究现状铁路诞生于 1825 年的英国[14]。在随后的近的发展伴随着铁路的发展取得了非凡的成就

表面残余应力,疲劳强度,车轴

ble1-1 The chemical composition of the axle steel on some nati化学成分（%）C Si Mn Cr Mo4 0.25~0.29 0.15~0.40 0.60~0.90 0.40~0.60 0.40i3 0.27~0.34 0.10~0.40 0.25~0.60 0.60~0.90C 0.35~0.41 0.15~0.35 0.60~0.90oA 0.45~0.59 ≥0.15 0.60~0.90 目前国外车轴的材质整体上呈现逐渐从碳素钢向中、国国情不同，发展的思路有所差异。日本车轴钢的工艺参数等要求较高，不易控制；欧洲使用的车轴钢易于生产。由于残余压应力可以有效提高车轴的疲质来生产车轴，都应尽可能的采取有效措施来提高车拉应力，这是国外各国共同努力的方向。图 1-2 为金度的关系图[19]。

示意图,疲劳断裂,车轴,示意图

48,52]。图1-3 车轴疲劳断裂示意图[45,48,52]Figure 1-3 Schematic diagram of the fatigue fracture process[45,48,52]

【参考文献】