钢轨钢材低温力学性能的试验研究

第 8期
奚 望 王元清 石永久 :钢轨钢材低温力学性能的试验研究
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1. 4 试验过程 本试验根据 GB / T 228—2002《金属材料室温拉
伸试验方法 》和 GB / T 13239—91《金属低温拉伸试验 方法 》进行 ,需注意以下事项 :
(1) 试验从高温到低温进行 ,多试样同时冷却 ,提 高试验效率 ;
研究结果 :本文试验得到了 U71M n和 U75V 两种钢轨钢材抗拉强度 、规定非比例延伸强度 、断后伸长率 和断面收缩率随温度的变化规律 ,计算了 2种钢轨钢材的温度敏感系数 ,得到预测钢轨钢材低温下抗拉强度 的公式 。由 2种钢轨钢材低温力学性能的比较 ,本文对低温地区铁路建设选用钢轨提出了建议 。
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铁 道 工 程 学 报
2006年 11月
steels at a series of low temperatures. Temperature sensitivity coefficients of the two type of rail steels are calculated and then the tensile strengths at low temperature can be forecasted. W hich type of rail steel should be chosen at low temperature is p roposed through the comparison of U71M n and U75V. Research conclusion s:W hen the temperature drop s, the strength of rail steels rises and the p lasticity descends. The U71M n steel has a good p lasticity at - 60 ℃ while the U75V steel get brittle seriously, so U71M n rail steel should be chosen when the temperature of the environment is low. Key words: rail steel; m echanical p roperties; experiment at low temperature; Q inghai - Tibet railway
我国北方地区冬季气候寒冷 ,一些地区冬季最低 气温已接近 - 40 ℃,这些地区的铁路有较长时间在低 温下 工 作 。近 年 来 , 寒 冷 地 区 铁 路 建 设 大 规 模 开 展 [ 1 ] ,如青藏铁路工程 ,其部分地段的铁路铺设在长 年高寒冻土地区 ,钢轨长年低温服役 。低温使得钢轨 钢材及其焊缝的脆性进一步增加 ,脆性断裂的倾向加 大 [ 2 - 3 ] ,直接影响铁路运输的安全 。在寒冷地区铺设 铁路 ,需要了解钢轨钢材在低温下的力学性能指标 ,但 是国内目前仍缺乏这方面的数据 ,对钢轨钢材低温下 力学性能指标的研究将给寒冷地区的铁路建设提供试 验依据 。为此本试验对包钢生产的目前工程建设中常 用的 60 kg /m 的 U71M n和 U75V 钢轨进行了系列低 温拉伸试验 。
钢轨钢材低温力学性能的试验研究3
奚 望3 3 王元清 石永久
(清华大学 , 北京 100084)
摘要 :研究目的 :钢轨钢材在低温下力学性能变差 ,容易发生脆性破坏 ,这直接威胁着铁路运输的安全 。随着 青藏铁路等低温地区的铁路建设大规模的展开 ,了解钢轨钢材力学性能指标受温度的影响规律成为越来越 迫切的课题 ,本文试验测得我国常用钢轨钢材在低温下的各项力学指标将给寒冷地区的铁路建设提供试验 依据 。
3 收稿日期 : 2006 - 07 - 04 基金项目 : 铁道部 —清华大学科技研究基金资助 ( t 200410) 3 3 作者简介 :奚望 , 1980年出生 ,男 ,硕士研究生 。
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研究结论 :随着温度的降低 ,钢轨钢材的抗拉强度和非比例延伸强度略有升高 ,但断后伸长率和断面收缩 率下降 ,塑性变差 。U71M n钢材在 - 60 ℃时仍具有良好的塑性 ,而 U75V 钢材在低温下塑性明显变差 ,呈现 出脆性破坏 ,所以在寒冷地区的铁路建设中宜优先选用 U71M n钢轨钢材 。 关键词 :钢轨钢材 ;力学性能 ;低温试验 ;青藏铁路 中图分类号 : U213. 4 文献标识码 : A
钢材的力学性能随着温度的不同而变化 。从常温 (20 ℃)起 ,随着温度的降低 ,钢材的抗拉强度 、屈服强 度和弹性模量上升 ,同时钢材的塑性下降 ,伸长率和断 面收缩率等指标的数值下降 。在温度降低至一定程度 时 ,钢材的韧性急剧下降 ,在很小的温度范围内 ,钢材 的破坏形态由韧性破坏转向脆性破坏 [ 4 ] 。图 1表明了 钢材主要的力学性能指标随着温度降低的发展趋势 。
钢材牌号 C / % Si/ % M n / % P / % S/ % Rm /M Pa A / % U71M n 0. 72 0. 22 1. 21 0. 018 0. 006 955 13 U75V 0. 77 0. 62 0. 95 0. 014 0. 009 1 050 12
1. 3 试验设备 本试验要求在实验室里创造人工低温环境将试样
下的抗拉强度 。
1 钢轨钢材低温试验研究概况
1. 1 试验目的 本试验根据 GB / T 228—2002《金属材料室温拉
伸试验方法 》和 GB / T 13239—91《金属低温拉伸试验 方法 》,在 + 20 ℃、0 ℃、- 20 ℃、- 40 ℃、- 60 ℃五个 温度点下对 U71M n和 U75V 两种钢轨钢材进行拉伸 试验 ,且每种钢材在每一个温度点下选用至少 3 个试 样进行试验 。试验测量我国常用钢轨钢材 U71M n和 U75V 下述力学性能指标 :抗拉强度 Rm ,规定非比例延 伸强度 RP0. 2 ,断后伸长率 A, 断面收缩率 Z ,并得到这 些力学性能指标随温度的变化规律 ,为工程设计提供 试验依据 。 1. 2 试样材质及型式尺寸
第2080期6年(总11月98)
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JOURNAL
铁 道 工 程 学 报 OF RA ILWAY ENGINEER ING
SOC
IETY
Nov 2006 NO. 8 ( Ser. 98)
文章编号 : 1006 - 2106 (2006) 08 - 0025 - 05
Exper im en ta l Study on the M echan ica l Properties of Ra il Steel a t low Tem pera ture
X IW ang, W ANG Y uan - q ing, SH I Y ong - jiu ( Tsinghua University, B eijing 100084, China) Abstract: Research purposes: A t a low temperature, the m echanical p roperties of rail steel get worse and brittle failures can happen more easily. This threatens the railway transportation seriously. It is necessary to find out the mechanical p roperties of rail steel at low temperature because there are more and more railway constructions at low temperature, such as Q inghai - Tibet railway. The study of this paper w ill p rovide a basis of the railway constructions in cold areas. Research m ethods: This paper carries out a tension experiment w ith the U71M n and U75V rail steels which are 60 kg /m at + 20℃, 0℃, - 20℃, - 40℃, - 60℃ and gets the strength and p lasticity index of the tow type of rail steels. The datum of the experim ent are analyzed from the recent research results about steel. Research results: The experim ent of this paper gets the tensile strength, p roof strength ( non - p roportional extension) , percentage elongation after fracture and percentage reduction of area of U71M n and U75V he echanical p roperties of rail
图 1 钢及其构件主要力学指标随温度变化曲线
大量试验结果证明 ,抗拉强度 Rm 随温度的变化
规律可近似用以下公式表示 [ 5 ] :
Rm = Rm ′exp [β( 1 / T - 1 / T′) ]
(1)
式中 Rm ′———钢材在 T′温度下的抗拉强度 ; β———抗拉强度对温度变化的敏感系数 (1 / K) 。
试验选用钢轨由内蒙古包钢钢联股份有限公司生 产 ,为目前铁路工程中常用的 60 kg /m 的 U71Mn钢轨 和 U75V 钢轨 。试验用钢轨钢材的化学成分和主要力 学指标由包钢提供 ,如表 1所示 ;拉伸试样从钢轨的取 样部位以及型式尺寸如图 2所示 。
表 1 试验用钢轨钢材的化学成分及主要力学指标
通过对大量理论分析和试验研究结果进行汇总 ,
进一步表明 ,在通常的环境低温范围内 ,公式 ( 1)可以
简化为 :
Rm = Rm ′exp [ qb ( T′- T) ]
(2)
式中 qb ———温度敏感系数 (1 / ℃) 。 根据本试验的结果 ,可以拟和出钢轨钢材的温度
敏感系数 ,进而可以通过公式 ( 2)预测钢轨钢材低温
进行拉伸 。对试样或节点进行冷却有若干种方法 [ 6 ] , 本试验采用在专门容器中用空气和液氮的混合蒸汽进 行冷却的方法 ,在普通电子万能试验机上配以专门保 温箱和降调温设备 。其工作原理图如图 3所示 。在这 种装置上试样可以冷却到 - 120 ℃左右 。
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(2) 冷却拉伸试样的时间不少于 15 m in并且在 拉伸过程中环境温度偏离预设值不能超过 ±2 ℃;
研究方法 :本文通过制造人工低温环境 ,在 + 20 ℃、0 ℃、- 20 ℃、- 40 ℃、- 60 ℃五个温度点下对我国 目前铁路工程中常用的 60 kg/m 的 U71M n和 U75V 两种钢轨钢材进行拉伸试验 ,得到这两种钢轨钢材低温下 的强度和塑性指标 ,并根据已有研究成果对试验数据进行分析和拟和 。