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抗侧滚扭杆轴用弹簧钢材料的性能研究

作　者: 赵双阳
导　师: 杨军
学　校: 湖南工业大学
专　业: 材料加工
关键词: 抗侧滚扭杆装置扭杆轴弹簧钢热处理工艺疲劳性能
分类号: U270.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文以轨道车辆用抗侧滚扭杆装置中的扭杆轴为研究对象，重点研究了关键零部件扭杆轴的材料性能，针对几种常用金属材料采用不同的热处理工艺并对性能进行测试，探讨扭杆轴的最佳热处理工艺，并进一步通过疲劳性能研究确定最佳使用材料；最后利用仿真分析及试验两种手段证实了所选材料在整体装置中的优异性能，本文的研究内容如下：1.通过阅读大量文献，综述了目前轨道车辆用抗侧滚扭杆装置的种类及作用，对评价扭杆轴材料性能优异的试验方法及手段进行了介绍，并重点介绍了疲劳性能对于扭杆轴材料的重要性。2.对42CrMo、50CrVE、51CrV4以及52CrMoV4四种材料进行淬透性研究。结果表明：51CrV4与52CrMoV4的硬度下降趋势最为平坦，这两种材料的淬透性最优，其次是50CrVE，42CrMo的淬透性最差。3.针对淬透性较好的50CrVE、51CrV4以及52CrMoV4，进一步研究热处理工艺对静力性能的影响，重点讨论了不同回火温度对材料性能的影响。选择相同的温度870℃淬火，对50CrVE按350℃、400℃以及450℃的温度进行回火热处理；对51CrV4及52CrMoV4两种材料分别按320℃、380℃、420℃、460℃以及500℃的温度进行回火热处理。结果表明：50CrVE的最佳热处理工艺为：870℃淬火，400℃回火；51CrV4及52CrMoV4的最佳热处理工艺为：870℃淬火，420℃回火。4.对经不同回火处理后的50CrVE、51CrV4以及52CrMoV4进行表面芯部硬度测试、机械性能测试以及金相组织观察。结果表明：三种材料随着回火温度的升高，表面硬度不断降低而且都呈现从外至内逐渐下降的趋势，且51CrV4和52CrMoV4的整体硬度要高于50CrVE；从机械性能来看，三种材料的抗拉强度及屈服强度不断降低，塑性韧性逐渐升高，51CrV4和52CrMoV4的强度值高于50CrVE；从金相组织来看，51CrV4和52CrMoV4得到均匀的回火屈氏体组织，50CrVE的回火组织即回火屈氏体较为粗大，还出现了较多的贝氏体。综合考虑51CrV4和52CrMoV4的静力学性能最优。5.根据扭杆轴长期承受扭转力，同时还会产生部分弯矩的使用工况对静力学性能优异的材料51CrV4和52CrMoV4进行扭转疲劳试验。结果表明：两种材料的疲劳极限相同，均为410MPa；从拟合的S-N曲线来看，斜线部分的斜率不同，即在施加相同的扭矩条件下，52CrMoV4的疲劳循环次数大于51CrV4，可说明52CrMoV4的疲劳性能好于51CrV4，根据Buch A.理论，也证实了高抗拉强度的52CrMoV4的疲劳性能优于51CrV4。6.将静力性能和疲劳性能最优的52CrMoV4材料应用于实际产品扭杆轴上，运用试验及有限元仿真分析两种手段证实了其应用于产品后的优异性能。对抗侧滚扭杆装置进行整体刚度试验、弹性试验以及疲劳试验，测试结果表明整体刚度、弹性及疲劳性能均满足使用要求；另根据抗侧滚扭杆装置的结构特点及实际使用工况运用ABAQUS对扭杆轴进行受力分析，得到扭杆轴的应力分布情况，又针对52CrMoV4材料运用Fe-safe进行疲劳寿命评估。以上结果表明最大应力值远小于材料的屈服强度，且材料的FOS值均大于1，由此可知52CrMoV4材料的使用满足极限载荷和疲劳荷载要求，以上分析具有一定的工程指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-21
  1.1 抗侧滚扭杆装置  12-16
    1.1.1 抗侧滚扭杆装置的作用原理及特点  12-13
    1.1.2 抗侧滚扭杆装置的分类  13-16
  1.2 抗侧滚扭杆轴用钢  16-19
    1.2.1 通用机械零件材料选取原则  16-17
    1.2.2 扭杆轴材料选取原则  17-18
    1.2.3 弹簧钢的发展现状和趋势  18-19
  1.3 论文的选题意义及目的  19
    1.3.1 论文的选题意义  19
    1.3.2 论文的选题目的  19
  1.4 论文的研究内容  19-21
第二章抗侧滚扭杆轴用钢的性能介绍  21-31
  2.1 扭杆轴材料的淬透性  21-22
  2.2 基本力学性能测试  22-24
    2.2.1 试样制备  22-23
    2.2.2 测试方法  23-24
  2.3 疲劳性能测试  24-27
    2.3.1 试验原理  24-26
    2.3.2 试样制备  26-27
  2.4 抗侧滚扭杆装置性能介绍  27-30
    2.4.1 整体刚度性能  27-29
    2.4.2 整体弹性变形能力  29-30
    2.4.3 耐久疲劳性能  30
  2.5 本章小结  30-31
第三章热处理工艺对扭杆轴材料静力性能的影响研究  31-50
  3.1 淬透性研究  31-34
    3.1.1 试样的加热与淬火  31
    3.1.2 测试结果  31-33
    3.1.3 分析与讨论  33-34
  3.2 弹簧钢材料的热处理工艺  34-38
    3.2.1 淬火工艺  34-36
    3.2.2 回火工艺  36-38
  3.3 不同回火温度对材料组织及性能的影响  38-48
    3.3.1 表面芯部硬度测试  38-40
    3.3.2 机械性能测试  40-41
    3.3.3 显微组织测试  41-47
    3.3.4 结果与讨论  47-48
  3.4 本章小结  48-50
第四章扭杆轴材料的疲劳性能研究  50-60
  4.1 试验设备  51-52
  4.2 试样制备  52
  4.3 试验条件  52
  4.4 试验过程  52-53
  4.5 试验结果  53-56
    4.5.1 疲劳极限的确定  54
    4.5.2 S-N曲线的绘制  54-56
  4.6 分析与讨论  56-59
    4.6.1 材料成分的影响  56
    4.6.2 显微组织的影响  56-57
    4.6.3 其它因素的影响  57
    4.6.4 疲劳极限与静强度间的关系  57-59
  4.7 本章小结  59-60
第五章抗侧滚扭杆轴整体性能分析  60-68
  5.1 抗侧滚扭杆轴受力分析  60-62
    5.1.1 计算条件  60-61
    5.1.2 不同使用工况下扭杆轴的分析结果  61-62
  5.2 疲劳分析  62-64
    5.2.1 疲劳荷载工况  62-63
    5.2.2 疲劳寿命分析结果  63-64
  5.3 抗侧滚扭杆装置性能试验  64-66
    5.3.1 试验过程  64-65
    5.3.2 试验结果  65-66
  5.4 分析与讨论  66-67
    5.4.1 两种手段结果对比  66-67
    5.4.2 误差分析  67
  5.5 本章小结  67-68
第六章结论与展望  68-70
  6.1 本文结论  68-69
  6.2 展望  69-70
参考文献  70-76
致谢  76-77
附录  77

抗侧滚扭杆轴用弹簧钢材料的性能研究

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