CN112233735B - 一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法，提供的方法结合利用JMatPro软件的强化模型和金属变形软件DEFORM‑3D的断裂模型建立JMatPro软件中化学成分与屈服强度的关系，DEFORM‑3D软件中化学成分与抗拉强度的关系，可以解决JMatPro软件未考虑高碳钢轨钢珠光体组织片层间距对强度的贡献权重以及JMatPro软件计算珠光体钢轨钢抗拉强度误差大的问题，可以在设计具有预期抗拉强度的珠光体钢轨钢的化学成分时极大降低研发成本。

Description

一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法，尤其涉及一种为满足一定抗拉强度的珠光体钢轨钢的化学成分的设计方法。

背景技术

钢轨钢一般为高碳钢，其中碳含量在0.6～0.8％之间，因此钢轨的微观组织为珠光体组织，且我国钢轨的强化均通过热处理+微合金强化的方式实现。钢轨的强度和硬度是通过欠速淬火后获得细片状的珠光体组织来保证的。在新钢种开发中，需要建立化学成分与力学性能的对应关系，尤其是材料的抗拉强度与化学成分的对应关系，JMatPro软件是金属材料相图计算和材料力学性能模拟软件，该软件在钢轨钢新钢种开发中进行成分设计预测时，计算获得的力学性能与实际检测的力学性能存在较大误差，特别是材料的抗拉强度。JMatPro软件计算模型中未考虑珠光体组织片层细化对强度的贡献权重，故计算预测存在较大误差，提高了高碳珠光体钢轨的研发成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明提供一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法，其包括以步骤：

1)根据JMatPro软件，按照默认参数设置，首先获得具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的力学性能，包括钢轨钢热轧态下的屈服强度RP1；

2)根据屈服强度RP1在JMatPro软件中导出该屈服强度RP1下的材料数据库A；

3)实际检测具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的抗拉强度RM2和热处理后的抗拉强度RM3和屈服强度RP3；

4)基于步骤1)获得的屈服强度RP1、步骤2)导出的材料数据库A和步骤3)检测获得的抗拉强度RM2，在DEFORM-3D软件中建立金属实验拉伸模型，所述模型选用NormalizedCockcroft&Latham断裂模型，确定具有所述候选化学成分的材料的断裂强度因子C；

5)计算目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4与实际检测的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的抗拉强度RM3之间的差值d1＝RM4-RM3；

6)根据屈服强度(RP1+d1)在JMatPro软件中导出该屈服强度(RP1+d1)下的材料数据库B；

7)利用步骤4)在DEFORM-3D软件中建立的金属实验拉伸模型，基于步骤5)所述目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4、步骤4)获得的断裂强度因子C和步骤6)获得的材料数据库B确定目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4所对应的目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4；

8)计算步骤7)获得的所述目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4与步骤3)实际检测获得的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的屈服强度RP3之间的差值d2＝RP4-RP3；

9)根据步骤1)所述JMatPro软件，按照默认参数设置，以屈服强度(RP1+d2)为目标优化所述候选化学成分，获得目标珠光体钢轨钢的化学成分，该目标珠光体钢轨钢热处理后预测具有抗拉强度RM4和屈服强度RP4。

基于以上技术方案提供的珠光体钢轨钢化学成分的设计方法结合利用JMatPro软件的强化模型和金属变形软件DEFORM-3D的断裂模型首先建立JMatPro软件中化学成分与屈服强度的关系，DEFORM-3D软件中化学成分与抗拉强度的关系，即建立了钢轨钢化学成分与力学性能之间的对应关系，进而解决了JMatPro软件未考虑高碳钢轨钢珠光体组织片层间距对强度的贡献权重问题以及JMatPro软件计算珠光体钢轨钢抗拉强度误差大的问题，进而提高对具有候选化学成分的珠光体钢轨钢的力学性能预测的准确性，使得在设计具有预期抗拉强度的珠光体钢轨钢的化学成分时目标明确，极大降低研发成本。

附图说明

图1为经JMatPro软件导出的屈服强度为630MPa时的变形模型材料数据曲线，其中A幅表示工程应力-应变曲线，B幅表示真应力-应变曲线；

图2为DEFORM-3D软件中金属圆棒拉伸模型的结构示意图；

图3为在DEFORM-3D软件断裂模型中断裂强度因子C＝0.02时DEFORM-3D计算的抗拉强度曲线；

图4为化学成分优化后由DEFORM-3D计算的抗拉强度曲线。

具体实施方式

本发明旨在提供一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法，有效降低具有一定抗拉强度的珠光体钢轨钢的研发成本。

本发明提供的方法具体包括以下步骤：

1)根据JMatPro软件强化模型，按照默认参数设置，首先获得具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的力学性能，包括钢轨钢热轧态下的屈服强度RP1；

2)根据屈服强度RP1在JMatPro软件中导出该屈服强度RP1下的变形材料数据库A；

3)实际检测具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的抗拉强度RM2和热处理后的抗拉强度RM3和屈服强度RP3；

4)基于步骤1)获得的屈服强度RP1、步骤2)导出的材料数据库A和步骤3)检测获得的抗拉强度RM2，在DEFORM-3D软件中建立金属实验拉伸模型，所述模型选用NormalizedCockcroft&Latham断裂模型，确定具有所述候选化学成分的材料的断裂强度因子C；

5)计算目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4与实际检测的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的抗拉强度RM3之间的差值d1＝RM4-RM3；

6)根据屈服强度(RP1+d1)在JMatPro软件中导出该屈服强度(RP1+d1)下的变形材料数据库B；

7)利用步骤4)在DEFORM-3D软件中建立的金属实验拉伸模型，基于步骤5)所述目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4、步骤4)获得的断裂强度因子C和步骤6)获得的材料数据库B确定目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4所对应的目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4；

8)计算步骤7)获得的所述目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4与步骤3)实际检测获得的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的屈服强度RP3之间的差值d2＝RP4-RP3；

9)根据步骤1)所述JMatPro软件，按照默认参数设置，以屈服强度(RP1+d2)为目标优化所述候选化学成分，获得目标珠光体钢轨钢的化学成分，该目标珠光体钢轨钢热处理后具有抗拉强度RM4和屈服强度RP4。

以上所使用的JMatPro软件和DEFORM-3D软件的操作以及参数的设置都在本领域技术人员的技术水平范围之内。

以下通过实施例详细描述本发明的内容，这些实施例仅仅是为了更了解本发明，并不对本发明的内容有任何限制。

以下实施例以珠光体钢轨钢为例，其生产方法可以按照文献CN110592496B公开的方法，也可以按照本领域中生产珠光体钢轨钢的常规生产方法。

实施例

该实施例中所采用的珠光体钢轨钢的候选化学成分如下表1所示。按照本发明提供的方法对该候选化学成分进行优化设计以生产热处理后抗拉强度为1350MPa的珠光体钢轨钢(该珠光体钢轨的生产方法参照本领域常规生产珠光体钢轨的方法)，具体包括以下步骤：

表1：钢轨钢化学成分

1.1)实际检测具有表1所列化学成分的钢轨钢热轧态下的屈服强度RP2和抗拉强度RM2以及热处理后的抗拉强度RM3和屈服强度RP3，实际检测结果如下表2和下表3所示；

表2：具有表1所列化学成分的钢轨钢热轧态力学性能

表3：具有表1所列化学成分的钢轨钢热处理后力学性能

1.2)根据JMatPro软件，按照默认参数设置，首先计算获得具有上表1所列化学成分的钢轨钢热轧态下的力学性能，包括钢轨钢热轧态下的屈服强度RP1和抗拉强度RM1，计算结果如下表4中所述；其中已知化学成分，根据珠光体钢轨钢的生产工艺参数，利用JMatPro软件计算获取钢轨钢热轧态下力学性能是本领域的常规技术手段；

表4：具有表1所列化学成分的钢轨钢热轧态力学性能实际和预测对比

1.3)由表4对比结果可以看出，在表1所列成分下钢轨钢的屈服强度计算值与实测值基本相同，但该钢轨钢的抗拉强度相差较大。因此本发明人引入DEFORM-3D软件的断裂模型，在DEFORM-3D软件中建立金属拉伸实验模型，按照金属拉伸实验标准在DEFORM-3D软件中设计拉伸参数，以获得较准确的化学成分与钢轨钢抗拉强度之间的关系。而DEFORM-3D软件断裂模型的使用，就需要用到JMatPro软件中的材料数据库(即材料模型)，因此在该步骤发明人根据JMatPro软件计算的具有表1所列化学成分的钢轨钢的热轧态屈服强度RP1，在JMatPro软件中导出该屈服强度RP1下的材料数据库A；其中根据已知屈服强度值，从JMatPro软件中导出该屈服强度下的材料数据库的参数设置和操作是本领域常规技术手段。如图1所示，以屈服强度值为630MPa为例，示出了从JMatPro软件中导出该屈服强度下的变形模型材料数据曲线，用于DEFORM-3D软件的断裂模型，以获得表1所列化学成分的钢轨钢所对应的断裂强度因子C；

1.4)在DEFORM-3D软件中建立金属实验拉伸模型，如图2所示，所述模型选用Normalized Cockcroft&Latham断裂模型，基于步骤1.2)获得的屈服强度RP1、步骤1.3)导出的材料数据库A和步骤1.1)检测获得的抗拉强度RM2，确定具有表1所列化学成分的材料的断裂强度因子C；已知屈服强度值、材料数据库和抗拉强度值，在DEFORM-3D软件Normalized Cockcroft&Latham断裂模型中获取多对应的断裂强度因子是本领域常规技术手段；如图2所示，示出了在屈服强度RP1为630MPa、抗拉强度为1100MPa时的断裂强度因子C值下的抗拉强度曲线；可见获得的断裂强度因子C值为0.02；

1.5)计算目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4(该实施例以1350MPa为例)与实际检测的具有表1所列化学成分的钢轨钢热处理后的抗拉强度RM3(以表3所列RM3的平均值约1300MPa为例)之间的差值d1＝RM4-RM3＝50MPa；

1.6)根据屈服强度(RP1+d1＝680MPa)在JMatPro软件中按照步骤1.3)同样的方法导出该屈服强度680MPa下的材料数据库B；

1.7)利用步骤1.4)在DEFORM-3D软件中建立的金属实验拉伸模型，基于步骤1.5)的目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4(1350MPa)、步骤1.4)获得的断裂强度因子C(0.02)和步骤1.6)获得的材料数据库B按照步骤1.4)的方法反推确定目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4(1350MPa)所对应的目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4；

1.8)计算步骤1.7)获得的所述目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4与步骤1.1)实际检测获得的具有表1所列化学成分的钢轨钢热处理后的屈服强度RP3(可以为表3所列RP3的平均值)之间的差值d2＝RP4-RP3；

1.9)根据步骤1.2)所述JMatPro软件，按照默认参数设置，以屈服强度(RP1+d2)(即630MPa+RP4-RP3)为目标优化表1所列化学成分，获得目标珠光体钢轨钢的化学成分，该目标珠光体钢轨钢热处理后预测具有抗拉强度RM4和屈服强度RP4，如图4所示，为优化化学成分后由DEFORM-3D软件断裂模型所预测的抗拉强度曲线，可见预测抗拉强度约为RM4(1350MPa)。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种珠光体钢轨钢化学成分的设计方法，其包括以步骤：

1)根据JMatPro软件，首先获得具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的力学性能，包括钢轨钢热轧态下的屈服强度RP1；

2)根据屈服强度RP1在JMatPro软件中导出该屈服强度RP1下的材料数据库A；

3)实际检测具有候选化学成分的钢轨钢热轧态下的抗拉强度RM2和热处理后的抗拉强度RM3和屈服强度RP3；

4)基于步骤1)获得的屈服强度RP1、步骤2)导出的材料数据库A和步骤3)检测获得的抗拉强度RM2，在DEFORM-3D软件中建立金属实验拉伸模型，所述模型选用NormalizedCockcroft&Latham断裂模型，确定具有所述候选化学成分的材料的断裂强度因子C；

5)计算目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4与实际检测的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的抗拉强度RM3之间的差值d1＝RM4-RM3；

6)根据屈服强度(RP1+d1)在JMatPro软件中导出该屈服强度(RP1+d1)下的材料数据库B；

7)利用步骤4)在DEFORM-3D软件中建立的金属实验拉伸模型，基于步骤5)所述目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4、步骤4)获得的断裂强度因子C和步骤6)获得的材料数据库B确定目标钢轨钢热处理后的抗拉强度RM4所对应的目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4；

8)计算步骤7)获得的所述目标钢轨钢热处理后的屈服强度RP4与步骤3)实际检测获得的具有候选化学成分的钢轨钢热处理后的屈服强度RP3之间的差值d2＝RP4-RP3；

9)根据步骤1)所述JMatPro软件，以屈服强度(RP1+d2)为目标优化所述候选化学成分，获得目标珠光体钢轨钢的化学成分。

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