KKD 車輪熱處理過程中車輪整體及夾雜物周圍的殘余應力分析

魏華成，張曉峰，李樹林，王群娣，劉耀平

（太原重工軌道交通設備有限公司，山西 太原 030032）

國內外已有很多研究表明火車車輪的殘余應力受很多因素的影響，車輪踏面及以下一定深度范圍內的殘余應力大小對車輪的使用壽命有很重要的作用，殘余壓應力通常能夠防止或者減小車輪在運行過程中的裂紋的形成及擴展[1-4]。在車輪的生產過程中，為了滿足產品質量的指標，提高車輪的使用壽命和改善車輪的運行性能，往往需要優化熱處理的工藝參數來改善車輪的殘余應力分布。殘余應力的測試手段很多，通常有機械測試法、超聲波法、X 射線或中子衍射方法、以及云紋干涉等測試方法，目前實踐中常用的是通過切割車輪的機械測試法[5]。除此之外，隨著計算機技術的快速發展，數值模擬已經變成了研究殘余應力分布的很重要的手段，而且它還具有高效和快速的特點[6-9]。許多研究表明，通過對數值模擬的結果和實驗測試的結果相結合，可以對車輪整體和局部的殘余應力分布有更好的理解[10]。

本文通過對KKD 車輪的熱處理工藝進行模擬仿真，來研究車輪整體和非金屬夾雜物周圍的殘余應力分布，從而為研究非金屬夾雜物對火車車輪性能的影響和熱處理工藝的優化提供理論依據。

1 有限元模型的建立

本文利用ANSYS 商用非線性有限元軟件、并結合Sub-model 分析技術，按照KKD 車輪的實際熱處理工藝（溫度變化圖如圖1 所示）建立三維有限元模型并進行仿真計算。所研究的KKD 車輪的實際幾何尺寸及網格劃分如圖2-1，2-2 所示，靠近踏面的區域劃分較細的網格，靠近車輪內部的區域網格相對較粗，總共有128 294 個節點和292 686 個網格單元。圖2-3 為模擬非金屬夾雜物的Sub-model，可以看出，非金屬夾雜物的位置的網格非常細小，總共有120 871 個節點和128 940 個網格單元。基于前面實驗測試的結果，本文模擬了兩種典型的氧化物夾雜尺寸，如圖2-4 所示，長度為5μm、長寬比為1 的較小夾雜物，和長度為45μm、長寬比為9 的大夾雜物。

圖1 KKD 車輪熱處理過程中溫度變化示意圖

圖2 模擬KKD 車輪熱處理過程的有限元建模及網格劃分示意圖。

2 模擬結果及分析

車輪在熱處理的過程中溫度變化和組織變化都不均勻，從而導致非常復雜的熱應力和組織應力的分布[9]。下頁圖3-1，3-2，3-3 分別為模擬熱處理后的KKD 車輪內部的沿X 方向（車輪圓周放向，σX），Y 方向（車輪軸向，σY）和Z 方向（車輪半徑方向，σZ）的殘余應力分布圖。可以看出，從車輪踏面沿著半徑方向往內都存在較大的殘余應力梯度，這是由于車輪在熱處理時采用踏面單面噴水，導致踏面和輪緣處的溫度下降較急劇，而車輪其他部位的溫度變化相對較慢較小。圖3-4 比較了三種不同方向的殘余應力在車輪踏面下不同深度的分布。如圖3-4 所示，車輪踏面處承受的殘余應力σX和σY均為壓應力，大小分別為235.47 MPa 和172.51 MPa。隨著距離車輪踏面的深度增加，殘余壓應力逐漸變小并轉化成拉應力。相比較而言，沿著車輪半徑方向的殘余應力很小，在踏面處基本為0。當距離車輪踏面深度為10 mm時，殘余應力σX、σY和σZ分別為-220.73 MPa、-59.58 MPa、和6.82 MPa。

圖3 KKD 車輪熱處理后的殘余應不同方向力分布圖

圖4 為長度為5 μm、長寬比為1 的氧化物夾雜附近的殘余應力分布圖。殘余應力分布的結果顯示氧化物夾雜內部處于很大的壓應力狀態，但是在與基體的交界處所受的殘余應力為拉應力，最大的殘余拉應力分別為σX=160.82 MPa，σY=298.01 MPa 和σZ=325.27 MPa。

圖5 為長度為45 μm、長寬比為9 的氧化物夾雜附近的殘余應力分布圖。結果表明，夾雜物內部的殘余應力分布較復雜，存在較大的應力梯度。所以與圖6 的結果相比，雖然殘余應力的最大值稍有減小，但是復雜的殘余應力分布（尤其是夾雜物尖端處）將對夾雜處裂紋的產生有很大的影響，所以在車輪的生產過程中，應該盡可能的減小夾雜物的尺寸和長寬比。同時，車輪的熱處理工藝也會對夾雜物及其周圍的殘余應力分布產生很大的影響。

圖4 長度為5 μm、長寬比為1 的氧化物夾雜附近的殘余應力分布圖。

圖5 長度為45 μm、長寬比為9 的氧化物夾雜附近的殘余應力分布圖

3 結論

1）在實驗測量的基礎上，模擬了在實際熱處理的工藝下KKD 車輪整體及氧化物夾雜附近的殘余應力分布。車輪踏面存在著較大的周向和軸向殘余壓應力，大小分別為235.47 MPa 和172.51 MPa。隨著距離踏面的深度增加，這些殘余壓應力逐漸變小并轉化成拉應力。

2）氧化物夾雜的尺寸和幾何形狀對殘余應力的分布有很大的影響。當氧化物夾雜的尺寸和長寬比較小時，夾雜物內部受到單一的壓應力，但是當氧化物夾雜的尺寸和長寬比較大時，夾雜物內部所受的應力狀態較復雜，其將對車輪的使用壽命產生一定的影響。