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      有關(guān)材料科學(xué)的論文

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      有關(guān)材料科學(xué)的論文

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        有關(guān)材料科學(xué)的論文篇1

        淺析功能梯度材料技術(shù)在道岔翼軌上的應(yīng)用

        1 概述

        隨著我國高速重載鐵路的快速發(fā)展,列車運行速度、承載重量和密度不斷增加,致使線路上使用的合金鋼組合轍叉壽命大幅降低、更換周期大幅縮短,而造成合金鋼組合轍叉壽命降低的主要原因是由于翼軌磨耗嚴(yán)重而造成下道,目前所使用的轍叉翼軌大多是用在線淬火鋼軌制成,經(jīng)現(xiàn)場使用,由于其耐磨性能不高,導(dǎo)致轍叉使用壽命較短,更換頻繁,與轍叉設(shè)計要求通過運量2億噸,甚至3億噸的目標(biāo)相差較大,不僅增加了運營成本,大大增加了線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量,而且使運輸組織和效率也受到了很大影響。

        因此,將功能梯度材料技術(shù)應(yīng)用到翼軌上不僅可有效解決以上問題,延長翼軌使用壽命,從而提高合金鋼組合轍叉整體使用壽命和更換周期、提高運輸效率,而且具有較好的經(jīng)濟效益和市場前景。

        2 選題理由

        2.1 功能梯度材料簡介

        功能梯度材料是指在一個構(gòu)件的不同部位需要適應(yīng)不同的性能要求時,其構(gòu)件不同部位的材料也與之相適應(yīng)地有所不同,也就是構(gòu)件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化學(xué)成分、不同的性能特點及不同的組織結(jié)構(gòu),二者銜接部分則具有連續(xù)變化的性能狀態(tài)及顯微組織結(jié)構(gòu),使之成為一個有機結(jié)合的整體。

        2.2 功能梯度材料在翼軌上的應(yīng)用

        現(xiàn)有合金鋼組合轍叉的結(jié)構(gòu),由于有害空間的存在,使用中形成翼軌局部區(qū)域?qū)囕喌闹С忻嬉蠕撥壵5闹С忻嫘〉枚?,也就是其單位面積上所承受的車輪壓力將遠(yuǎn)大于鋼軌,因此,要保證翼軌具有較長的使用壽命,就需要相應(yīng)地提高該區(qū)域翼軌工作面的硬度和強度。因此,本課題的任務(wù)就是在翼軌頂面復(fù)合一層功能梯度材料耐磨層,以提高其工作層的硬度和強度,增強翼軌的強度和耐磨損性能,從而延長其使用壽命。

        如上所述,由于翼軌工作時, 不僅產(chǎn)生與車輪的磨擦, 而且還有車輪傳遞過來的擠壓力和撞擊力。因此,對翼軌這樣一個由鋼軌鋼制成的細(xì)長桿件而言,不僅要有較高的抗磨損性能,同時還要具備良好的抗沖擊能力。功能梯度材料耐磨翼軌的研發(fā),目的就是利用堆焊焊接工藝,在翼軌的工作面形成一定厚度,且具有較高硬度(設(shè)計硬度予計為HRC 42~45)和良好沖擊性能(Aku>15)的耐磨層。圖1所示即為在翼軌工作面上,采用梯度材料復(fù)合后的工作斷面。

        3 研究內(nèi)容及試制過程

        3.1 梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計、試驗

        對于耐磨材料而言,提高耐磨性的必要途徑是提高材料的硬度,而材料的硬度又與其化學(xué)成分和金相組織有關(guān)。因此,梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計,首先是選擇添加能導(dǎo)致材料硬化的合金元素,如Mn、Cr、Mo、Ni,而同時必須考慮這些元素加入量對金相組織穩(wěn)定性的影響,通過試驗確定合金系統(tǒng)設(shè)計見表1:

        金相組織:基體鋼軌母材仍保持細(xì)珠光體組織,復(fù)合層中無淬火馬氏體組織。

        3.2 電弧焊梯度焊接

        由于梯度材料與翼軌工作面復(fù)合的工藝采用電弧焊接實現(xiàn),電弧熱量較高,且加熱面積比較集中,無論成分或溫度的變化,都有可能導(dǎo)致組織以及硬度的變化,因此,在制定工藝的時候,課題組對如何保證整個復(fù)合層成分、溫度(包括加熱溫度和冷卻速度)的均勻性做了大量實驗,最終均通過設(shè)備自動控制功能得以實現(xiàn)。

        在裝備的設(shè)計中,除必須保證工藝實施上的要求外,還應(yīng)能最大限度地減小翼軌在處理過程中的變形和殘余應(yīng)力,以免在隨后的調(diào)直和矯正時出現(xiàn)開裂(本論文中以制作工藝為主,焊接設(shè)備不在此贅述)。

        3.3 梯度材料的熱處理

        目前線路上合金鋼組合轍叉中的翼軌、叉跟軌采用在線熱處理鋼軌制作,其硬度在HRC36左右,與合金鋼心軌硬度HRC38~42有一定差別,且線路上因翼軌磨耗超限下道的合金鋼組合轍叉居多。為此我們采用功能梯度材料對翼軌進(jìn)行強化,并通過優(yōu)化整體鋼軌淬火工藝,提高翼軌工作面的硬度和強度使翼軌軌頭硬度達(dá)到HRC42~45,這樣不僅可延長翼軌使用壽命,而且可提高轍叉的整體壽命。

        課題組在現(xiàn)有鋼軌中頻淬火生產(chǎn)線和先噴風(fēng)后噴霧的熱處理工藝的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù),反復(fù)進(jìn)行淬火試驗,即調(diào)整小車變頻頻率、加熱后的冷卻風(fēng)壓、水量,使淬火翼軌軌頭硬度達(dá)到HRC42~45,并進(jìn)行取樣檢測,確定了提高鋼軌軌頭淬火硬度的工藝參數(shù),見表2:

        課題組利用表中工藝參數(shù)處理的鋼軌試件取樣,委托中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所進(jìn)行了檢測,檢測的軌頭硬化層硬度、深度和金相組織滿足TB/T1779標(biāo)準(zhǔn)要求,且硬度達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

        3.4 功能梯度材料處理翼軌的機械加工工藝

        確定功能梯度材料翼軌的制作工序和機加工工藝如下:

        3.4.1 下料:用卷尺量取鋼軌尺寸4855mm,然后鋸切,鋸切端面垂直度不大于1.0mm。

        3.4.2 鉆孔:鋼軌定位后用75魚尾孔鉆模板鉆出趾端魚尾孔,直徑31mm三個通孔。

        3.4.3 劃線、頂彎:按照轍岔開向劃出相應(yīng)軌頭、軌底銑削位置,按轍叉開向頂彎,彎折段要圓順。

        3.4.4 銑軌底:按劃線位置銑削軌底。

        3.4.5 銑工作邊軌底:按劃線位置銑削工作邊軌底。

        3.4.6 銑軌頭:按劃線位置銑削軌頭。

        3.4.7 扭軌底坡:在鋼軌扭轉(zhuǎn)機上扭轉(zhuǎn)翼軌跟端170mm范圍內(nèi)1:40軌底坡。

        3.4.8 垂直調(diào)彎:在調(diào)直機上頂出鋼軌垂直彎5mm,并保證軌底各直線段的直線度不大于1.5mm。

        3.4.9 質(zhì)量檢驗按《合金鋼組合轍叉質(zhì)量檢驗實施細(xì)則》的要求檢測。   3.5 功能梯度材料翼軌的探傷檢查

        翼軌處理完成后進(jìn)行磁粉和超聲波探傷檢查,均無異常。

        3.6 梯度材料翼軌加工工序及技術(shù)要求

        梯度材料翼軌加工工序及技術(shù)要求見表3。

        根據(jù)確定的淬火工藝參數(shù)課題組試制了一組高強度、高硬度的75kg/m翼軌并進(jìn)行了整組轍叉的試制組裝,以滿足重載線路大軸重、高密度和大運量運營狀況下對合金鋼組合轍叉使用壽命的需求。

        4 功能梯度材料的性能檢測

        為了驗證功能梯度材料的力學(xué)性能,課題組按照鐵標(biāo)相關(guān)規(guī)定,進(jìn)行了力學(xué)性能取樣送檢,經(jīng)中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所檢測,結(jié)果如下。

        4.1 力學(xué)性能

        4.1.1 拉伸性能(均符合要求),見表4。

        4.1.2 沖擊性能(均符合要求)。

        采用夏比U型缺口沖擊實驗法,環(huán)境溫度為20度,結(jié)果見表5。

        4.2 經(jīng)復(fù)合梯度材料耐磨層工藝處理后鋼軌的整體落錘性能試驗

        為保證功能梯度材料耐磨翼軌運行的安全性,我們對經(jīng)梯度材料復(fù)合工藝處理后的6根鋼軌分別按TB/T 2344-2012 (落錘高度9.1m)和TB/T 1632.2-2005 (落錘高度5.2m) 標(biāo)準(zhǔn)要求委托中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所進(jìn)行了整體落錘性能試驗,試驗結(jié)果全部達(dá)標(biāo)。由此可見,功能梯度材料翼軌的耐磨層復(fù)合工藝過程對鋼軌總體性能不會造成重大影響。

        綜上所述,經(jīng)過梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計、試驗;熱處理工藝試驗;機械加工工藝試制,生產(chǎn)出來的新型翼軌,經(jīng)中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所檢測,性能優(yōu)越,均符合鐵總相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,而且具有較高的硬度值和較好的耐磨性能。2015年7月通過了北京交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院、太原鐵路局工務(wù)處、物資處、總工室和太原、太原南、原平、大同、茶塢工務(wù)段組織的試驗評審會,得到了專家一致認(rèn)可。

        5 結(jié)束語

        采用與合金鋼心軌性能相匹配的功能梯度材料進(jìn)行強化后的翼軌,預(yù)計壽命為普通翼軌合金鋼組合轍叉的1.5-2倍,從而使合金鋼心軌的使用潛力發(fā)揮到最大,這樣不僅可有效解決線路車流密度加大,與維護(hù)天窗點減少的剛性矛盾,大大減少了養(yǎng)護(hù)維修工時和維修成本,而且可減少因更換轍叉造成對運輸效率的影響,降低運營成本,提升經(jīng)濟效益。

        此外,梯度材料處理翼軌技術(shù)方案還可以運用到舊叉心修復(fù)上,對于因翼軌磨耗,心軌依然完好而下道的轍叉,運用該技術(shù)對翼軌進(jìn)行強化修復(fù)后,可以重新上道。實現(xiàn)修舊利廢,節(jié)支降耗的目的,同時該項技術(shù)在其他易磨損構(gòu)件領(lǐng)域也可深入探討,具有長遠(yuǎn)良好的經(jīng)濟效益。

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