铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法与流程

本发明属于铁路车轮热处理冷却多场耦合，更具体地，本发明涉及一种铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法。

背景技术：

1、智能化研究是热处理领域的热门课题，也是未来的发展方向，其核心基础是实现热处理过程的数字化，难点是冷却过程的数字化。以往建立热处理数字化模型，通常采用基于特定工业仿真软件的数值模拟手段，首先得出温度场分布及变化特性，进而与材料的过冷奥氏体相变特性耦合得出组织转变过程和最终组织组成物，并建立温度-组织-性能的多场量耦合数学模型，从而实现组织与性能的预测，进而通过实物验证来修正或重构模型。

2、对于珠光体型铁路车轮，热处理冷却是决定相变产物及力学性能的核心工序。在材料特性(相变、热物性等)、换热特性等数据库的支撑下，可通过数字化模型，对照组织、性能控制目标，根据化学成分进行热处理工艺自动设计、执行与控制。但是，单纯采用数值模拟，所建立的模型精度受制于如下因素：(1)车轮踏面表面喷水冷却条件下的换热系数很难精准测定，这直接导致温度场分布及变化的模拟失准，进而组织与性能的预测精度很难满足工业性生产需求；(2)车轮钢材料、车轮规格及踏面表面形状、边界冷却条件不同，换热系数也有差异，采用常规方法建立换热系数数据库工作量大、精度不可控；(3)多场耦合模拟需要测定材料的相变动力学参数、热物性参数、各基本相的力学性能，测试工作量大，精度要求高，依赖于特殊仪器设备，且建立的数据库只针对特定材料，过程仿真数值模型适用性单一。

3、期刊论文《高碳钢铁路车轮新型热处理冷却工艺有限元模拟》，材料热处理学报，2021,42(1):182-189，针对高碳钢重载车轮，基于msc.marc和thermal prophet建立了踏面淬火(cvq)的有限元数值模型，并进行了实物验证，其必须先要建立材料相变及热物性数据库，采用原工位测温反算边界换热系数，再将所获得参数和边界条件输入到商业软件中建模、求解，最后开展实物验证比对与修正，该方法存在建模流程长、成本高，且依赖专业设备和软件的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，旨在改善上述问题。

2、本发明是这样实现的，一种铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，所述方法包括如下步骤：

3、s1、在生产现场对待测车轮a进行加热、淬火完全冷却得到热处理冷却态的毛坯车轮；

4、s2、在待测车轮b上取轮辋试块，在实验室条件下对轮辋试块进行加热、淬火完全冷却得到热处理冷却态的毛坯轮辋试块；

5、s3、将毛坯车轮的轮辋沿径向剖开，取横断面试样，沿径向距踏面表面不同深度处取特征点1，测试各个特征点1位置的静力强度及微观组织；

6、s4、将毛坯轮辋试块沿径向剖开，取横断面试样，沿径向距踏面表面不同深度处取数量更多的特征点2，测试各个特征点2位置的静力强度；

7、s5、在特征点2中查找与特征点1的静力强度吻合的匹配特征点；

8、s6、在轮辋试块中匹配特征点位置预埋热电偶，在实验室条件下对轮辋试块进行加热、淬火完全，读取匹配特征点的冷却曲线，对匹配特征点的冷却速度、微观组织、静力强度进行拟合，形成冷却速度-微观组织-静力强度三者的耦合曲线。

9、进一步的，在轮辋回温不超过100℃时，待测车轮或轮辋试块淬火完全冷却。

10、进一步的，特征点距踏面表面的径向深度为10mm～60mm。

11、进一步的，在步骤s5之后，在步骤s6之前还包括：

12、s7、将毛坯轮辋试块沿径向取断面试样，测定断面试样中匹配特征点位置处显微组织，检测其是否与毛坯车轮上对应特征点1位置处的微观组织相当，若相当，则执行步骤s6。

13、进一步的，静力强度采用屈服强度及抗拉强度进行表征。

14、进一步的，微观组织采用铁素体体积分数及珠光体片层间距进行表征。

15、进一步的，在特征点2中查找与特征点1的静力强度偏差小于5％的特征点，最小偏差的特征点2即为特征点1的匹配特征点。

16、进一步的，热电偶的预埋位置确定方法具体如下：

17、沿径向的预埋深度为匹配特征点的径向深度，相邻热电偶的预埋位置在周向上的弧长为20mm～30mm。

18、进一步的，车轮为铁素体-珠光体型两相材料车轮。

19、本发明提供的铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法具有如下有益效果：

20、1)通过显微组织、静力强度这两个“媒介”，建立实验室与现场实际冷却之间的关联性，形成了一套高效、低成本、自主可控的铁路车轮热处理“冷速-组织-强度”三场耦合的表征标准化实施规范，具有工程实用价值；

21、2)无需借助特殊精密仪器，无需进行大量的材料参数相关测试，无需进行复杂的冷却换热边界条件测试计算与修正，克服了传统手段成本高、周期长等不足。

技术特征：

1.一种铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，在轮辋回温不超过100℃时，待测车轮或轮辋试块淬火完全冷却。

3.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，特征点距踏面表面的径向深度为10mm～60mm。

4.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，在步骤s5之后，在步骤s6之前还包括：

5.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，静力强度采用屈服强度及抗拉强度进行表征。

6.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，微观组织采用铁素体体积分数及珠光体片层间距进行表征。

7.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，在特征点2中查找与特征点1的静力强度偏差小于5％的特征点，最小偏差的特征点2即为特征点1的匹配特征点。

8.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，热电偶的预埋位置确定方法具体如下：

9.如权利要求1所述铁路车轮的冷速-组织-强度三场耦合的构建方法，其特征在于，车轮为铁素体-珠光体型两相材料车轮。

技术总结
本发明公开一种铁路车轮的冷速‑组织‑强度三场耦合的构建方法，根据“一致性(等效性)”原则，即同一化学成分而冷却条件有差异的铁素体‑珠光体型两相材料，组织、性能一致处的冷却速率/温度场变化必然相同或等效，先按实际生产工艺制备出实物车轮，并作为基准，采集轮辋径向某一路径上若干特征点处的显微组织、静力强度数据，再在实验室条件下，采用仪器化压入法测静力强度的新方法和显微组织定量分析，通过显微组织、静力强度这两个“媒介”，建立了生产实际与实验室两种不同热处理冷却工况下的对应性，最终形成了一种高效低成本的铁路车轮热处理“冷速‑组织‑强度”三场耦合的表征方法。

技术研发人员：姚三成,刘学华,江波,赵海,高伟,钟斌
受保护的技术使用者：马鞍山钢铁股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13