第一章,转向架构架材料

轨道交通材料及其加工工艺•选课编号：B3252，课程代码：1071011•1‐17周，周二，第8‐10节•犀浦校区X1221#•胥永刚•Email: [e-mail]课程的教学方式和目的•教学方式：课堂教学+实际参观•教学目的：1，掌握轨道交通系统的基本结构；2，了解轨道交通材料的性能特点；3，掌握轨道交通材料及其构件的加工工艺；4，了解未来轨道交通材料的发展趋势。第一章：转向架钢及其制造工艺转向架在高速列车中的位置图片课程内容周次课程内容主讲教师开课时间1转向架材料胥永刚2转向架材料胥永刚3车身材料4轨道交通焊接材料陈辉5制动盘材料6闸片材料7车轮材料9轨道材料10工务部件材料崔国栋11接触网材料朱德贵/徐轶12受电弓滑块材料朱德贵/徐轶13减振吸声材料胥永刚/楚珑盛14轨道交通高分子材料易锦/胡书春15复习16考试本章提纲•转向架的基本结构•转向架构架材料（耐候钢及玻璃纤维复合材料）•转向架耐候钢的组织与性能（基本成分及其作用、强度级别、耐候性能、疲劳性能等）•转向架的制造工艺（轧制和焊接）第一节，转向架的基本结构转向架的机械结构图及各部分名称转向架的简图转向架构架转向架构架是转向架的骨架，用以联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内的位置（如车轴相互平行并垂直于构架纵轴线）。基本构成：左右两侧梁及一个或几个横梁组成。构架受力特征垂向力的静载荷和动载荷的传递：垂向力：机车—二系弹簧及减振器—构架—一系弹簧及减振器—轴箱—轮对—钢轨横向力：车体—侧档—构架—止档—轴箱—轮对—钢轨纵向力：钢轨—轮对—轴箱—轴箱拉杆—构架—牵引杆—车体—车购。构架的设计原则•构架是基础，车体和各种零件需在构架上安装。•等强度梁的设计原则‐‐‐‐‐最小的轴重，最大的承重能力；•对称性和简单化•各梁的连接部位必须注意应力集中问题•各部位刚度足够，防止梁自身的振动问题；•焊接问题：焊接位置‐应力小，便于维修和检查，消除焊接内应力主要零件驱动装置：驱动电机及传动齿轮箱等轮对及轴箱：车轮为整体碾钢车轮，内侧有制动盘；轴箱内轴承为整体圆锥滚动轴承（内含接地装置，速度传感器，防滑速度传感器）；弹簧悬挂装置：一系弹簧（高圆弹簧、轴箱拉杆、垂向减振器）二系弹簧：高圆弹簧，橡胶垫，垂向减振器，端部横向减振器牵引装置：连接转向架与车体，防止车体横向、纵向和垂向振动，需防止冲击，橡胶连接和3‐5g的加速度。转向架的制造方式•焊接材料：16Mn类钢板，参照标准：DIN6700采用钢板压制成型，再进行焊接制造。特点：重量轻，节省材料，具有足够的强度和刚度。•铸造铅垂和水平面内抗弯、抗扭强度和刚度较大，机械加工量小，材料利用较好，可根据受力情况进行尺寸设计，但对铸造工艺要求高，需要大型铸造设备；根据铸件设计原则，壁厚至少需20mm，不可能很轻，造价高，加工也需要专门机床等。第二节. 转向架构架材料•耐候钢的发展历史•耐候钢的制造企业发展历史•1900 年, 欧美的科学家就发现Cu可以改善钢在大气中的耐候性能. •1916 年, 美国就对260 种钢在不同地带进行了大气曝晒试验, 同时美国试验和材料学会( ASTM) 开始了大气腐蚀的研究. •1930 年代美国耐候性钢铁公司首先成功研制了耐腐蚀高抗拉强度的含Cu 低合金钢Corten钢, 代表是09CuPTiRE•1960 年代不涂漆直接用于建筑和桥梁, 随后各国相继进行了仿制和改进, 基本上都是在Corten钢的基础上调整部分元素.•进入90年代以来, 随着对钢铁性能的要求提高, 不少国家提出了新一代钢铁材料研究计划, 耐候钢的研究也进入了一个新的时期, 很多研究者将目光转向低成本、高强度、高耐蚀性的新一代耐候钢的开发；代表是Q450NQR1。•根据铁道部减重的要求, 新一代高强度铁道车辆用钢强度级别定在屈服强度400‐500 MPa, 同时要求高耐候、较低屈强比、良好的焊接性能和疲劳性能等09CuPTi耐候钢高耐候钢的基本成分耐候钢的特点•耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳钢的一倍, 并且使用时间愈长, 耐蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外, 还具有优良的力学、焊接等使用性能。原因是经过长期大气暴晒, 在其表面上形成了稳定致密的保护性锈层, 阻碍了腐蚀介质的进入，而在碳钢表面形成的锈层疏松, 且有微裂纹存在, 故对基体不能起到保护作用。我国耐候钢企业概况•上海宝钢（B450NQ，B480GNQR、B450NQ，Q400NQR1，和Q450NQR1，Q550NQR1，Q700NQR1）•湖北武钢（09MnCuPTiRE--WQ550NQR1--WQ450GN）•辽宁鞍钢•安徽马钢•四川攀钢（PQ400NQR1，PQ450NQR1，PQ500NQR1）高铁领域的代表性产品：16MnR、16Mnq、SM490C以及14MnNbq耐候钢的应用范围•用途分为集装箱用耐候钢、铁路用耐候钢、建筑用耐候钢、锅炉用耐候钢、桥梁、舰船等。•铁路车辆用耐候钢厚度规格以2‐8mm为主, 宽度规格以1250mm和1500mm为主。第三节耐候钢的组织与性能•化学成分及其作用•强度及韧性•耐候性原理•疲劳性能3.1 化学成分及其作用CRH‐3型车的转向架用钢型号S355J2G3珠光体和铁素体组织差异问题S355J2G3板材的化学成分构成C: 耐候钢的含碳量一般都很低。P: 在钢中起着活性阴极的作用, 在一定条件下可以促进钢产生阳极钝化, 从而降低钢的腐蚀速度。化学成分分析Si : 碳钢的腐蚀速率与α‐Fe2O3 及α‐FeOOH的性质有关, 大颗粒的α‐FeOOH及磁性α‐Fe2O3 会阻碍保护性锈层的完全形成, 导致腐蚀速率增大。而超顺磁性的α‐FeOOH能细化FeOOH颗粒, 从而减小碳钢腐蚀速率。在大气腐蚀环境下, 含有大量的Si 和少量的P,能够增加保护性锈层中顺磁性的α‐FeOOH含量, 细化α‐FeOOH, 从而减小材料的腐蚀速率。RE 元素: 我国稀土资源丰富, 因此稀土元素对耐蚀性能的影响在国内研究较多, 为降低成本, 可对不含Cr、Ni 耐候钢通过添加稀土元素来提高其抗腐蚀性能。RE 是极其活泼的元素, 是很强的脱氧剂和脱硫剂, 对钢能起到净化作用。RE 元素的加入可细化晶粒, 改变钢中夹杂物存在的状态, 减少有害的大夹杂数量, 降低腐蚀源点, 从而提高钢的抗大气腐蚀性能; RE 还能与其他合金元素之间产生复合作用, 影响钢的耐蚀性能。微量的稀土元素能改善钢中P元素的宏观偏析。Mn:对耐蚀性的影响认识不统一, 大多数学者认为, Mn能提高钢对海洋大气的耐蚀性, 防止S产生低熔共晶及其偏聚，但对在工业大气中的耐蚀性几乎无影响。通常, 耐候钢中百分含量在0.5%~ 2.0%之间。3.2  强度和韧性CRH3型车的转向架用钢型号S355J2G33.3  耐候性耐候性很重要：在大气中使用的钢材量一般超过全世界钢产量的60%，据统计全世界每90秒就有一吨铁被腐蚀掉；机理355钢表面锈层的扫描电镜图片致密性好5355J2W耐候钢的大气耐蚀的本质在于表面锈层分为两层，在基体上生成的内锈层稳定性好，其主要成分为α‐FeOOH。在电子显微镜下，α‐FeOOH的晶体致密，同时生成了大量的枝晶，枝晶相连，形成紧密相连的团体，使耐候钢表面的腐蚀速度减缓。耐候钢的锈层具有很好的保护作用，很好的减缓了基体的腐蚀。耐候性的定量分析01WWVSt−=耐候性的常规分析方法：重量法、容量法、线性极化法重量法W0腐蚀前重量；W1腐蚀后重量；S腐蚀面积；t腐蚀时间3.4   疲劳性能GB目的：测试S‐N曲线maxlgNKMσ=−实验模型：将材料的服役可靠性与力学性能结合起来16Mn钢的疲劳现象在交变应力作用下，16Mn钢发生疲劳断裂。微观组织显示：断口出现疲劳导致的滑移台阶，并伴随河流花样的出现。16Mn钢的疲劳机理•铁素体与珠光体相界裂纹；•铁素体晶粒发生裂纹；•MnS夹杂物发生裂纹。铁素体与珠光体交界裂纹铁素体晶粒内滑移带撞击铁素体与珠光体相界，产生微裂纹，进而产生宏观裂纹。铁素体内裂纹铁素体晶粒滑移带在交变应力下挤入挤出，产生裂纹。析出物MnS导致裂纹MnS夹杂物和基体结合力比较弱，当夹杂物与基体的应力应变达到临界值时，即发生MnS和基体剥离而形成裂纹。参考文献•阴敬甲，S355J2W耐候钢焊接接头腐蚀性能研究，硕士学位论文. 北京交通大学，2011.第四节转向架构架的焊接构架焊接的主要方法：二氧化碳气体保护焊S355钢的焊接方法CO2焊接特点1.气体保护焊电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊接热影响区小，变形和裂缝倾向小；2.生产效率高：自动送丝，焊接速度较快，焊后不清渣，节省时间，比手工电弧焊生产效率高1‐3倍；3.焊接对象：主要用于低碳钢及低合金钢的焊接；4.全位置焊接：可进行各种位置的焊接；5.可焊板厚范围宽：可焊薄板和中厚板，熔敷效率高，便于实现自动化。构件焊接出现的问题•焊接接头的疲劳；•热处理带来的性能下降；4.1 焊缝组织的疲劳问题•焊缝的微观组织；•焊趾的缺口和凹坑；•焊接残余应力分布。原因分析‐‐‐‐焊缝焊缝的微观组织焊接接头的疲劳性能S355焊接接头的疲劳性能分析S355焊接接头的硬度分析控制疲劳的方法1.焊接接头的设计：V和K型坡口2.尽可能不用不开坡口的焊缝；3.焊缝处于低应力区，避免焊缝在同一截面上；4.不同板厚的板进行焊接时，在厚板对接处设置斜坡，使两板厚度一致；5.对接焊缝预留间隙，以便焊透；对接焊缝的余高尽可能小。6.焊接残余应力的消除：焊后回火，回火温度500‐550℃，在炉内保温3.5小时，降温至200℃，取出自然冷却。4.2 焊接强度的下降问题3(20lg)10PTt−=+×欧盟制定的时温系数其中，T为热处理温度，t为热处理时间时温参数对接头强度的影响强度下降问题小结•16Mn转向架耐候钢的焊接方法：二氧化碳保护焊•焊前预热和焊后热处理有助于降低焊接接头的残余应力；•过多的热处理会降低焊缝的强度指标，需要克服。主要概念及问题•转向架的基本构成零件有哪些？•耐候钢中合金元素的基本作用？•转向架耐候钢的耐候原理是什么？•耐候钢的热处理状态是什么？•耐候钢的焊接工艺有什么特点？•耐候钢的疲劳为什么主要出现的焊缝位置？如何进行从工艺上加以改进？