（光学工程专业论文）300kmh高速列车zdph高纯净锻钢制动盘材料的研究.pdf

北崴变通大学硕。b 学位论文摘臻 撼要 高速列车巴成为我国铁路交通业的发展方向，盘形制动是高速列车的 藏要制动方式。随着列车速度斡提高，对臻动盘的材质质量、寿命税安全 可靠性提出了鼹商的要求。然丽，我国西藏使用静翻动激材料已经不能缀 好地满足高速列车的需要。因此，尽快开发出一种性能优异的制动盘材料 邑成为当务之惫。 本研究根据我国3 0 0 k m h 高速列车制动盘材料酌暇役要求，开发了一 种高纯净锻铡制动盘材料( 称为z d p h 钢) ，探索并制定了适当的锻造工 麓，通过蒙托卡洛随机抽样一复形优化盼汁算枫方法饯纯了其热处理工 麓，测试了其力学性能和物联性能，观察并分析了其躐织结构，研究和分 析的结果表明： 1 通过特拣豹纯净化她壤开发的赢缝冷z d p h 锻镪截动盘李孝糕，其 硫、磷等杂质耪氧、氮、氢等气体含量 t 通常的电弧炉潦炼钢有较大幅度 的降低，且该含量降低到了电弧炉钢难以冶炼的水平以下。 2 遗定盼锻造工艺为：贻锻湿度为l1 5 0 。c 、终锻溢度为8 8 0 。c 、锻造 眈为3 3 ，该锻造工艺筒单潞行，工艺瞧熊鼹妊，锻粹燹裂纹等缺陷。 3 采用蒙托卡洛随机抽样一复形优化方法对z d p h 高纯净锻钢制动盘 孝蓐料的热处理工艺参数进行了优化处理，发埂淬火温度谯9 1 0 5 。c 范围 内，西火温度簌6 0 0 5 。c 藏滠内，z d p h 勰缝净锻钢孝才辩经过这种傥纯的 热处理后，可以获得良好的综合力学性能。 4 提出了考察誊葶料抗热疲劳盼蛙能指撂一k 指标，计算结果魏验证渡 黢都表瞬：k 指标能正确地友浃材料的熟疲劳性能。 北京交通大学顾七学位论文 5 所开发的z d p h 高纯净锻钢材料的各项性能指标：抗拉强度、屈服 强度、延伸率、冲击功和抗冷热疲劳性能等都明显优于技术目标，能满足 我国发展高速列车的需要。 关键词：高速列车，制动盘材料，高纯净锻钢，k 指标，蒙托卡洛一复形优 化 北康交通大学工程硕士学位论文 a b s w a t e s t u d y o nz d p h h i g h l y p u r i f i e d f o r g i n g s t e e l s f o rb r a k ed i s c so f3 0 0k m he x p r e s st r a i n s a b s t r a c t e x p r e s s t r a i ni sa p r o m i s i n gw a yt o t h e d e v e l o p m e n t o fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a ，i nw h i c hd i s cb r a k i n gi s ak i n do f i m p o r t a n tb r a k i n g m e a n s t h eq u a l i t y , t h el o n g e v i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fd i s cm a t e r i a l sh a v et o b ei m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s e m e n to nt h es p e e do fe x p r e s st r a i n s ，h o w e v e r , t h ed i s cm a t e r i a l su s e di nc h i n aa tp r e s e n tc a n n tf u l l ym e e tt h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t s s o t h e d e v e l o p m e n t s o nd i s cm a t e r i a l sw i t he x c e l l e n t p r o p e r t i e sa r eu r g e n t a f f a i r s ， i na c c o r d a n c ew i t ht h es e r v i c ec o n d i t i o n so f3 0 0 k n i s he x p r e s st r a i ni n c h i n a ，ak i n do fh i g h l yp u r i f i e df o r g i n gs t e e lm a t e r i a lw a sd e v e l o p e d t h e f o r g i n g t e c h n i c sa n dt h eh e a tt r e a t m e n to ft h em a t e r i a lw e r ei n v e s t i g a t e d a n d m o n t e c a r l o - c o m p l e xo p t i m i z i n gm e t h o d w a se m p l o i e dt oo p t i m i z et h eh e a t t r e a t m e n t p r o c e s s t h em e c h n i c a l a n dp h y s i c a l p r o p e r t i e s a sw e l ta st h e m i c r o s t r u c t u r e so ft h em a t e r i a lw e r et e s t e d f o l l o w i n g r e s u l t sa r ef o u n d ， 1 t h ec o n t e n t so fs ，p ，o ，na n dho ft h em a t e r i a ld e v e l o p e di nt h i s s t u d y a r em u c hl o w e rt h a nt h a tf a b r i c a t e db ya r cf u r n a c ea f t e rs p e c i a lp u n t i n g t r e a t m e n t t h ep u r i t yo ft h i sm a t e r i a lc a nh a r d l yb er e a c h e dt h r o u g ht h ea r c f u m a c ep r o c e s s 2 t h ep r e f e r e df o r g i n gp a r a m e t e r sa r eb e g i n n i n gf o r g i n gt e m p e r a t u r e b e i n 9 1 1 5 0 。c ，e n d i n g f o r g i n g t e m p e r a t u r e a t8 8 0 。ca n d3 3 f o 皤n g r a t i o 3 t h eh e a t - t r e a t m e n t p a r a m e t e r s a r e o 露m i z e db ym o n t ec a r l o - c o m p l e xo p t i m i z i n g m e t h o d t h eb e s t q u e n c h i n i gt e m p e r a t u r er a n g e s b e t w e e n9i 0 土5 0 ca n dt h et e m p e r i n g t e m p e r a t u r e i s6 0 0 5 。c t h e s eh e a t - n l 北麻交通大学丁程 i _ ； 卜学位论史a b s t r a t e t r e a t m e n tp a r a m e t e r sa r ec o n t r i b u t i v et ot h ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f t h em a t e r i a l 4 ki n d e xw a sp r o p o s e di no r d e rt os c a l et h et h e r m a lf a i t i g u ep r o p e r t i e s o ft h em a t e r i a l t h ea n a l y z i n ga n de x p e f i m e n t i a lr e s u l t ss h o wt h a tki n d e x c a nb ew e l lu s e df o ri n d i c a t i n gm a t e r i a lq u a l i t yo fi t sa n t i t h e r m a lf a t i g u e p e r f o r m a n c e ，a n di t c a na l s ob eu s e da sa np a r a m e t e rf o rs e l e c t i n gm a t e r i a l s w i t hg o o da n t i * t h e m a lf a t i g u ep r o p e r t i e s 5 t h ez d p hh i g t y p u r i f i e d s t e e lh a s g o o dm e c h a n i c a l a n dp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，s u c ha s u l t i m a t et e n s i l es 靠e n g t h ，y i e l ds 台e n g t h ，e l o n g a t i o n ，i m p a c t e n e r g ya n da n t i - t h e r m a lf a t i g u ep m p e r t i e s t h i sm a t e r i a li ss u i t a b l ef o rt h eb a r k e d i s cm a t e r i a l so f 3 0 0 k n 讹e x p r e s st r a i n k e yw o r d s ：e x p r e s st r a i n ，b r a k ed i s cm a t e r i a l s ，h i g h l yp u r i f i e ds t e e l ，k i n d e x ，m o n t ec a r l o c o m p l e xo p t i m i z i n g 群 北京交通大学_ 【= 程颁士学位论文1 铁道车辆制动盘材料的研究与应用综述 1 铁道车辆制动盘材料的研究与应用综述 随着列车速度的提高，制动能量也越来越高，传统的踏面制动方式 ”】，即将闸瓦压在车轮踏面上获得制动力的制动方式，已难以满足列车制 动性能的要求，而盘形制动方式 1 ，即将闸片压靠安装在车轴或车轮上的 制动盘而获得制动力的制动方式，由于其特有的性能已经成为主要的摩擦 制动方式。与踏面制动相比，盘形制动的主要特点是口圳：停车制动时动能 转移能力大，摩擦性能好，摩擦系数平稳，几乎不随列车速度变化，制动 平稳，没有在车辆踏面制动中产生的振动：无踏面磨耗；由于大部分制动 功率由盘形制动机构承担，减少了踏面制动的热负荷，增加了轮轨寿命。 此外，盘形制动机构简单、安全、可靠。因此，由于盘形制动的优越性， 自1 9 3 5 年法国在铁道车辆上开始使用盘形制动盘以来，盘形制动方式得到 了一定发展，并且逐渐得到了世界各国的重视，特别是近年来，由于高速 列车的发展，盘形制动得到了更加广泛的应用和研究。因为制动技术是列 车高速运行时所必需的首要技术。高速列车制动功率是速度的三次方 9 在紧急制动时，每根轴上所负担的最高瞬时制动功高达其牵引功率的数十 倍【4 j ，基础制动装置要承受巨大的能量而进行有效制动，其服役条件极为 苛刻，制动摩擦材料的高性能是高速列车安全运行的重要保证。根据高速 列车制动系统技术条件( 9 5 j 0 1 一e ) ，3 0 0k m h 高速列车采用动力、盘形 和磁轨复合制动方式，在3 0 0 k m h 初速度下复合制动的紧急制动距离应在 3 7 0 0 米以内。在正常情况下应优先并充分发挥动力制动能力，以空气制动 ( 盘形制动) 作为补偿，但在失电的情况下以空气制动( 盘形制动) 为 主。由此可见，盘形制动不仅是高速列车常用的制动方式之一，而且是保 证列车运行安全的重要制动方式。制动盘是盘形制动装置的关键部件，其 材料选择正确与否，将对盘形制动方式的性能、列车运行安全产生重要影 响。 盘形制动的主要研究内容包括口l ：( 1 ) 从制动盘的结构和材质方面， 改进盘形制动盼1 生能，提高其使用寿命和安全可靠性：( 2 ) 降低制动机构 北京交通大学工程倾士学位论文l 铁道车辆制动盘材料的研究，j 应用练述 的重量以减少列车簧下重量，适应列车高速运行要求。我国盘形制动方式 的研究和应用，明显落后于国外发达国家，目前只是在双层客车上使用盘 形制动方式【6 】。随着我国高速列车的发展、研究和应用，盘形制动的研究 工作己势在必行。 1 1 铁道车辆制动盘材料的服役条件 制动盘是用于高速车辆或服役条件相当苛刻的车辆的摩擦制动元件 ”l 。在列车高速运行时，制动盘随着车轴或车轮高速旋转，这样制动盘就 要承受巨大的离心力；在列车制动时，闸片突然压靠制动盘，制动盘就要 承受突然的冲击力与持续的压力，制动盘面和闸片问会发生强烈的干摩 擦，并且由于摩擦的作用制动盘表面的温度会急骤的上升，温度高达几百 摄氏度。 对应于制动盘的服役条件，制动盘材料必须满足以下性能要求7 ： i 足够的强度，以承受高速旋转时离心力以及制动时闸片的压力。 2 高而稳定的摩擦系数，以获得良好的制动效果。 3 较高的耐磨性，以减少盘面与闸片间因强烈摩擦而产生的磨损。 4 较好的抗热裂性能，使制动盘在激热激冷条件下不产生裂纹。 5 足够的高温强度与疲劳强度，良好的抗摩擦热引起的变形性能和高 的热导率。 1 2 铁道车辆制动盘材料的种类和特点 一 为了满足制动盘的性能要求，国内外研制和开发了多种制功盘材料。 大体上可分为铁系金属材料和复合材料两类。现分述如下： 1 2 1 铸铁材料 用铸铁制造的制动盘有较好的摩擦特性，摩擦系数在o 2 5 0 3 5 之 j 曰【5j ，且较稳定；耐磨性好，变形小及铸造性能好，并且价格便宜。这类 铸铁包括：普通片状石墨铸铁、n i c r - m o 低合金铸铁、蠕墨铸铁。 北隶变通夫学1 = 程矧0 学位论文l 铁道7 i = = 辆制动蠢材料的研究7 # 趣鞠综述 普通片状石鼹铸铁制动盘在速度1 3 0 k m h 的车辆上使用时，磨损较 快，霈要频繁熨换而且抗热负荷能力和抗热裂性能藏，容易在制幼盘 表瑟产生裂纹。 n i c r - m o 低合金铸铁，这是在片状石爨铸铁中添加铬、镍、镅等台金 元索，以提高孝才料承受高速制动时的热负衙能力。但是这种材料制造的制 动懿在车速2 5 0 k m h 筵嗣瓣，在透漫毒鬻攘造疆豹绩况下，零霉霞囊露 产生热裂纹而爨换 i 。 蠕墨铸铁魁近2 0 年发展起来的一种铸铁材料。它的石墨形态介于片 状秘球：发之阈，较短两厚，头部较圜，形似孀虫。孀璧铸铁蓑有高强发铸 铁和球墨铸铁的良好性能。它的抗拉强度可达5 0 0 m p a 以上，且具有鼹好 的导热性，从而改善了抗热裂性能，此外，铸造性能也较好。但是耐磨性 8 有待进一步掇离。 1 2 2 钢系毒孝黼 用于制造制动盘的的钢系材料主要有：铸钢、锻钢。 铸钢从5 0 年代就开始用予制造制动盘。虽然铸钢具有较高的强度( ob 8 0 0 沿鸯霸撬熬爱毪麓，毽| 圭 予导熬瞧较差、熬容量铰曩、澎联系数较 大，在使用中摩擦面易出现沟槽、皱折及细网状裂纹；塌部表面会产生熔 化，以“鱼鳞状”盒属镶嵌入闸片中，大大加剧了制动盘与闸片的磨损。因 戴，铸钢毒4 动擞瓣寿命较短。尽警铸钢馋为重型卡车鲶铡动材鞋已褥劐应 粥，但在铁道擎辆制动盘上酾应用并不理恕。 锻钢具有较高的强度和韧性，同时具肖较高的抗热裂性。日本新干线 采用n i c 卜m o 低合金锻锱制动盘，满足了速度为2 6 0 k m h 的列车鲍 期渤要求。法函在t g v 高速列车土，采蠲e 卜m o _ v 合爱锻镪佟为制动 教材料，已安全远行1 0 0 万k m 以上 1 0 】。 1 2 3 复合材料 减轻簧下溪萎菝车辆羟蘩纯是实瑗残攀高速纯终关键之一。毽楚，由 于铁系材料制动盘难以获得最蔷的轻量化效果，因而目前国内外正在致力 北京交通大学工程硕上学位论文【铁道车辆制动盘材料的研究与应用综述 于研究和开发用密度较小的复合材料制造制动盘。其中主要有：碳碳纤 维复合材料和铝合金基复合材料。 1 2 3 1 碳碳纤维复合材料 碳碳纤维复合材料是一种以碳纤维增强石墨的复合材料，其密度约 为1 s g c m 2 ，仅为铁的1 5 ；并且其导热性好、热容量大、热膨胀系数 小，因而具有质量小、抗热裂等优点，在飞机和f 1 赛车上作为制动材料 己通过了实际应用的考验。在飞机上，考虑到此种材料的一个缺点是m 口氧 化性差，因而采用了多盘型结构，在f 1 赛车上则采用了圆盘一衬垫型结 构。 但是碳碳纤维复合材料的摩擦系数不稳定 在高摩擦速度下，随 着温度的上升，其摩擦系数急剧增大，与传统制动材料的摩擦特性差别较 大。所以，在不改变制动系统结构的情况下，直接使用碳碳复合材料的 制动盘与闸片的组合是不现实的。此外，它们的磨耗量也较大，有待进一 步改善。 1 2 3 2 铝合金基复合材料 铝合金基复合材料是一种在铝合金母材中加入陶瓷粒子( s i c 、a l 0 3 等) 的复合材料“”“。由于铝合金质轻，掺入陶瓷粒子后具有可与铸铁相 媲美的耐磨性能，因此是制造制动盘的好材料。由于铝合金的导热性好， 热容量大，一般不会发生因局部过热而使表面温度过高。因此，这种材料 的制动盘具有较高的抗热疲劳陛能。但是把这种材料用于制造制动盘还存 在一些问题，还要为它的实用化作进一步的研究。 1 3 铁道车辆制动盘材料的研究和应用现状及发展趋势 1 3 1 国内制动盘材料的研究与应用现状 1 9 6 7 年青岛四方工厂曾试制过制动盘，采用n i c r m o 合金铸铁，由于 结构和应力原因，制动盘使用过程中曾出现裂纹，紧急制动时发生飞盘现 象，后改用z g 2 3 04 5 0 材质，情况有所好转，但仍然存在盘面裂纹现象。 1 9 7 9 年铁道科学研究院等单位对h t 2 04 0 ，h t 3 05 4 ，q t 4 01 0 ，c r m o 铸铁，z g 2 3 04 5 0 等材质的制动盘进行试验，闸片采用h z 4 0 6 、h z 4 0 4 和 北柬瓷通人学丁程颤| 学位论文 戢道乍辆制动盘材料的研究与应用懿 述 h z , 4 0 8 育援材辩。绪暴表弱：h t 3 05 0 h z 4 0 8 对髑辫阑片簸耗率最小，麓 z g 2 3 04 5 0 h z 4 6 0 对偶的闸片黪耗最大。铸钢盘的对偶摩擦系数曲线形状 较麓，不利于粘麓利用，而且制动后发现铸钢制动盘的盘筒青细小裂缝。 各耱秘褥毒l 动蠹试验孛，在1 6 漩觚毫速实行零l 动霹，鑫上均有踅热麓， 但不严重，没有产生噪声，气喙也不强。试验完后经过表筒磁粉探伤检验 表明，采用径向联接的h t 3 05 4 材质的制动擞最佳，未见裂纹。 澄产薪型双鼷誊车，采用麴是蒋静高强度融热性能好豹铸铁割动爨 辟i ，阉片为h z 4 0 8 ，摩擦系数可稳定在0 3 0 0 3 5 之间。制动速度 1 2 0 k n v h 时，制动距离8 0 0 m ，制动实验后，擞面氧化带较严重，制动擞辫 命可达8 0 万k m 。1 9 9 1 年，北方交通大学的韩建民、王金华等人与青岛汹 7 萝厂合作，磅摹蔽煞疲劳洼能好秘特种铸铰铡动盘，采餍5 4 4 5 合成榜瓣阕 片在1 ：l 制动试验台上模拟6 8 2 t 车重，踏面制动功率占3 2 时，制动 试验后+ 索8 动盘的盘面光滑，擞街氧化不明驻。表面疆察来见裂纹。 今足年采，我濯戆准毫逮、赢速列车摹动懿嚣辩毫了遗一步发震，楚 体成尉及研发情况如下： 1 已经广泛应用合金铸铁、蠕墨铸铁材料制造1 6 0k m b 准高速客车制 动惑。应雳湾况良好，与辜8 动擞涯配豹毒l 动潮片为骞辊台藏捞辩，每辍2 个盘从材辩角廉来看存在着带动盘摩擦嚣热裂纹损伤闻题。 2 正在试运用的2 0 0k m ， 1 瀚速列车，采用的是特种合衾制动盘( 合盒 铸铁) 和粉末冶金阉片，每轴3 个盘。鬟翦逶未见应用效浆瀚报道。 3 正在研睾l 兹2 5 0k r n z h 离遥罗l 车、3 0 0k m h 高速歹辜，簧隶采雳整体 合融锻钢制动盘和粉末冶金闸片。每轴3 4 个盘( 拖车) 目前，还没有见到 研制出可以用于3 0 0 k m h 高速列车的制动盘及相关材料的报道。 总俸来看，我懑铁逶车辍黎l 动盘瓣应露辩鬻较矮，获粥年开始在广 深线的准高速列车上开始应用擞形制动方式，只有1 0 年的历史，缺乏制动 盘材料的研究及应阁经验。 北京交通大学- 程硕士学位论文铁道车辆制动盘材料的训f 究与应用综述 1 3 2 国外制动盘材料的研究与应用现状 国外制动盘的传统材质为h t 2 04 0 ，h t 2 54 7 ，h t 3 05 4 ，日本的窄轨 线、新干线，法国的东南列车均使用过铸铁制动盘1 9 8 3 年日本采用h t 2 5 4 7 铸铁材质制动盘可担负8 0 的制动力，初速度为1 3 0 k m h 制动时，热应 力为一1 5 0 + 7 0 m p a ，摩擦面以下5 m m 处温升为1 3 0 ，他们认为采用这 种制动盘，以1 5 0 k m h 的速度运行是可行的。 作为高级制动盘材质，国外研制并试用了蠕墨铸铁制动盘f 如日本、英 国采用f c v 5 0 牌号) 、金属包层装甲式制动盘( 如f q 本以锻钢s c c 6 0 为结构 增强材料，以h t 2 54 7 为摩擦面材料) ，合金铸钢和锻钢制动盘( 如联邦德 国、法国的大西洋高速列车使用过耐热合金铸钢，日本新干线干道1 9 8 0 年 前后采用a i s l 4 3 3 0 锻钢制动盘) 结果 1 9 - 2 2 1 表明： ( 1 ) 蠕铁制动盘抗拉强度高，延伸力大，传热性能好在其担负8 0 制动力，车辆以1 3 0 k m h 初速度制动时，在试验台进行了11 7 0 次疲劳试 验，证明其强度性能( 包括刚度，热容量，散热温度梯度，热应变，热应力 等) 与抗拉强度成正比。 ( 2 ) 包层式或装甲式制动盘的强度性能优于h t 2 54 7 材质制动盘。 ( 3 ) 锻钢制动盘的强度特性也优于h t 2 54 7 材质制动盘。 ( 4 ) 耐热合金铸钢与粉末冶金闸片配偶时，高速运行的特性可以大 大降低由于潮湿、温度、压力变化引起的摩擦系数的变化，整体性能优于 有机闸片配偶的灰铸铁或球铁制动盘。 总体而言，国外对铁道车辆制动盘材料的研究及应用积累了较为丰富 的经验，表1 为各国目前正在使用及研究开发的制动盘材料情况。 由表l 可知，国外在铁道车辆制动盘材料研究方面涉及到了传统的钢 铁材料和现代的金属和非金属复合材料，归类如下： 铁系材料( 灰口铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、奥贝球铁) 钢系材料( 铸钢或锻钢) 铝合金基体复合材料 特殊材料( 碳侗瓷复合材料，碳碳纤维复合材料、铁钢复合等) 北京交通大学工程7 翊匕学位沦空1 铁道车辆制功盘材料的研究与应用综述 表l 各国正在使用及研究开发的制动盘材质 强度比重研究的 分类材料名称 特点用途 ( m p a )( g c m 。)国家 片状石墨铸 摩擦特性 客车世界 铁 稳定，价 2 5 07 2 动乍各国 铁系廉 金属 胯擦特性 材料铸 n i - c r - m o新干线 稳定，台 2 5 07 2日本 铁 低台金铸铁动下 金化 系 蠕虫：恢和 高强度、1 r 线动 石墨形状5 0 0 7 2车，客 英，日本 墨铸铁 改变 奥氏体等高强度正在 4 0 07 2日本 温铸铁热处理研究 铸铁一铸钢 摩擦+ 强 新干线 度 2 0 0 + 5 0 07 2 + 7 8日本 复合 动车 材料复合 高强度，日本， 铸钢8 0 0 78i c e 等 耐热裂纹德国 钢 高强度，新干线日本， 系 锻钢 8 0 07 8 耐热裂纹 t g vi c e 法，德国 复 非金碳，7 碳纤维重量轻，正在研 日本， 1 5 0l5 一l8法，德， 合 属系复合材料耐热裂 究，t g v 美 材 日，法， 料 金属铝合金基体重量轻，偶见应 3 0 02 9德英， 系复合材料耐磨用报道 此外，在制动盘材料应用研究方面，欧洲国家还得出如图1 所示的研 究结论： ! 堡塞鍪鍪箜堂王堡篓塞黧垡笙奎 ! 堡垄主堑型叠童楚墼堕堑茎兰蜜望i 妻釜釜 由图1 可以看出：在传统的钢铁材料中，铁系制动艋只能适用2 0 0 k m h 以内的铁道车辆；球铁制动盘可用于较高速度的铁道车辆( 1 6 0 3 k a , r v a ) ；鳞舔动盘 n + 1 ( n 5 ) 个顶点构成的多面体。而炱形方法就是在r l 维设计空蚓中，对复形的各 个顶点鲍垦标鬣数逐一送行比较，不断去捧瀑差躲点，代之既使露括避数 有所改进又能满足约束条件的新的点，逐步调向最优化。 对于钢的热处理优化问题而言，一般希望温度参数在一定的变化区间 内，使得钢的憔 肇标达到最大值且离散悭小。 本研究所逸掰的饶讫譬檬溺鼗为： f = 1 ( o b + 6 )( 式3 2 ) 式中，f 一一优化目标函数： 钒一一撬拉灌痉； 6 一一延伸率。 当目标函数f 达到最小值时，可以得到最大的抗拉强度和最大的越伸 警。 应该指出，本研究所采用优化目标函数黩有一定的局限性，即，从严 格的数学意义上涞说，f 达到最小值的充分条件并不是仃b 和8 同时达到各自 的黢大值，丽是冀乘枧达到墩大僮，但是，妇于匿前还没有更好的星拣优 化蕊数，本繇究掰采霜的这辩辨际挽纯函数在一定程度上有意义，在生产 和研究终仍然可以近似认为：o b 和6 同时达到各自的最大值时，f 达到其最 小值。 北京交通大学工程顺士学位论文3z d p h 高纯净钢的锻造和热处理工艺及蒙托卡洛抽样一复形优化 3 4 2 热处理参数的计算机蒙托卡洛随机抽样一复形优化处理 在钢的蒙托卡洛随机抽样一复形优化方法中，用计算机以蒙托卡洛随 机抽样模拟热处理试验，并对模拟试验结果进行数学处理，再以复形优化 方法对由模拟试验得到的性能指标组成的目标函数进行优化计算。 3 4 2 1 优化步骤 在优化过程中，计算机在优化变量的优化区间内，即在指定的淬火和 回火温度范围内，任取一组热处理工艺参数( 淬火温度和回火温度) 作为 一个点，围绕该组热处理工艺参数，计算机自动生成7 组临近的点 ( 即7 组热处理工艺参数点) ，以这8 组热处理工艺点为顶点组成一个几 何多面体( 即复形) 。计算机在每个顶点上进行1 0 0 次蒙托卡洛随机抽 样，相当于对每个热处理工艺参数点上进行1 0 0 次热处理试验，这1 0 0 次 热处理工艺随机抽样试验是验证热处理工艺参数的稳定性。在对每个热处 理工艺参数顶点进行数理统计的基础上，再对8 个复形顶点的性能指标组 成的目标函数优选，以优选出来的目标函数顶点为起点重复以上优化过 程，在其余的优化变量区间内继续寻找好的目标函数顶点，最终再完成优 化计算。 所得到的优化结果为具有8 个顶点的几何复形，对这8 个顶点进行数 学处理即可得到具有工艺带的优化变量( 热处理工艺参数) 和具有生产变 化范围的优化指标( 性能指标) ，优化结果可直接作为生产控制参数，并 可预测生产中性能指标的变化范围。 具体优化步骤如下： ( 1 ) 产生初始复形中的第一个点 具体方法不限，但该点应满足以下条件： a 、应满足约束常量约束，即a i x ，b 。： b 、满足不等式约束g ( x ) 0 。 ( 2 ) 用伪随机数产生其他顶点 共k 1 个点，计算式为 北京交通人学t 程硼上学位论文3z d p h 高纯净刑的锻造和热处理工岂及蒙托卡洛抽样一复彤优化 x 。= a + 。( b i - a )( 式3 3 ) 式中，i = l ，2 ，n ，自然数 k = l ，2 ，自然数 k = 2 n 所得结果必须满足常量约束。 ( 3 ) 逐个检查各顶点，然后构成复形 检查上述所得点是否满足全部不等式约束。可能出现的情况有： a 、若已有s 个点已满足不等式约束，且s 1 ，可求出该点集中心 x ，即 x 。= 主置 ( 式3 4 ) b 、若发现第s + 1 个点不满足，则从x ，点开始，沿x 。方向收缩一半， 取 x “= x 。+ o 5 ( x 。一x ；)( 式3 ，5 ) 并再次检查是否满足不等式约束。 若满足则通过： 若不满足，则在以上所得基点上，再次沿x ；方向收缩一半。然后再次 检查，直到全部顶点满足为止。 ( 4 ) 计算函数值，并找出点x 计算复形各顶点的函数值f ( x j ，并找出函数值最大的点x | 。 ( 5 ) 计算除最大点) ( i i 外的其余各顶点中心) ( c ，为 耻i 与喜置，i n ( 式3 6 ) ( 6 ) 求映射点x 。 先检查) l 是否满足不等式约束g ( x ) o 。可能出现的情况有： a 、若满足，则x 。是可行点，可用以计算x 。，即在x , x 。联线的延长线 寻找映射点，它为 北京变通人学t 程f ! l 学位论文3z d p h ，苛纯净钢的锻造车几热处理工艺发蒙托卡洛抽样一复形优化 x 。= x 。+ q ( x 。一舶( 式3 7 ) 其中，a 为映射系数，常取1 3 开始寻查。 算出x 。后，再次检查是否满足不等式约束，如已满足，则留；如不满 足，则：悔n 减半，再算出x 。，再次检查。如此反复，直到满足时止。 b 、若不满足，则在以x ，为起点，以) ( c 为端点的超立方体中，用伪随 机数法，选点产生新复形，即 x k = x 。t 。( 匙，一x 。)( 式3 8 ) 然后重复前述过程，直到满足为l e 。 ( 7 ) 计算映射点的函数值f ( x 。) 并与最大点的函数值f ( 瑚比较。可能出现的情况有： a 、若f ( x 。) o j = 1 j x k t = a 。+ ok 1 ( b i - a ) k = k 十l ki = i2 n 0 a = 1 3 x = x 。+ a ( x - x i ) f 而广至“。) 0 = a 2 一l 一 ，l 一 求ih f ( x lh ) 2 m a x f ( x ) x n 一 ( 1 h ) 拳 錾 一 卜一 北常交通大学工程硕士学位论文3z d p h 高纯净钢的锻造和热处理工艺及豢托卡洛抽样一复形优化 乎，共九组试榉，因此，本正交试验表可袭示为三。( 2 ) 3 ，其中，淬火濑度 t q 和回火温度t t 之闯存在一定联系，严格正交意义上潞要考虑浚关系， 补充第三个因素t q 和t t 之间的联系豳索，但是，幽于本计算机蒙托 卡洛随机抽样一笈形优化处理的优化处理过程可以弥於该缺陷，故在此可 以忽略t q 帮t 之阉的联系这个因素，正交试验方寨结巢见表3 3 e 袭3 2 z d p h 高纯净钢的计算机优化变量和优化睡间 优化变量 滓火温度t q o c 回火温度t t 。c p 讫医阔8 5 0 9 8 0 5 0 0 7 0 0 对于二元线性回归模型y ：b + b 1 x 1 + b z x 2 4 - e ，首先需要根据样本值 ( x l i ，x 1 2 ；y 1 ) 、( x 2 1 ，| x 2 2 ；y 2 ) ( 。x r a ；y n ) 来估计来知参数b o ，b l ，b 2 ，从而建 立二元线性回魑方程( 经验翻螺方程) 。 岁= b o + 6 l x l + b 2 x 2 记q ( 6 0 ，b 。，b2 ) = ( y ，一b 。一b l x 。一62 x 。：) 2 由于q 蓬b o ，b i ，& 豹一个菲负二次羹，根据多元滋数静裰遣躲充分 条件，知其最小德存在。 表3 3 正交试验方寨和结果 强 瓢 哥b龟 so a k 编号 。c，。c榭a艘a膈m 慰 1 i8 8 05 5 01 3 3 0 0l 3 1 0 0【3 。55 0 o3 6 i 28 8 06 0 01 2 7 0 ，01 1 7 501 255 203 2 6 1 - 38 8 06 5 01 0 6 5 0 0 1 7 5 1 5 。55 7 56 2 ，0 l - 49 i 05 5 01 3 4 5 ，01 3 2 5 ，01 3 o5 4 。53 2 + o 1 59 1 06 0 01 3 2 5 o1 2 1 5 01 355 1 54 6 ，0 1 69 1 06 5 01 1 1 0 01 0 8 5 01 3 o5 6 55 7 - 3 1 79 4 05 5 01 3 6 0 01 2 9 5 01 2 54 8 ，53 7 3 l t 89 4 06 1 3 2 0 01 2 5 0 。0t 4 。05 7 03 2 。3 l - 99 4 f 36 5 0l i oi 0 6 0 01 3 o5 1 o6 0 7 i r b o = b o b ；= 5 。，6 ：= 毛时q 取最小值，即 3 4 北京交通大学工程硕士学位论文3z d p h 高纯净俐的锻遗和热处理工艺发蒙托卡洛抽样一复形优化 q ( b o , b t , b 2 ) - m 仙i n 。q ( b o , b , b 2 ) 。 为了求得邑、6 ：、6 ：，要分别求q 对b o ，b 。，b 2 的一阶偏导数，并令 其为零： 篝卅一6 0 - - b l x h - b z x 2 ) o 筹_ 2 ( - b i x - b 2 x j 2 h 。= 。 筹- - 2 ( 圹6 0 - b x a - 吣。轳。 经整理后得到关于b o ，b l ，b 2 的一个线性方程组 n b 。+ 6 i x ，+ 6 ：石，：= y 。； b o x 。+ 6 ，x ：+ 6 ：确t ：= 小 钆z ，：+ 6 。确+ 6 ：x ：= y ： 该方程组的解即为s 。、6 。、s ：，且分别称为b o ，b ，b 2 的最小二乘估 计值。 在本研究中，将淬火温度和回火温度及性能指标带入上述方程组就可 解的相应的磊、巨、邑，从而获得各性能指标与热处理工艺参数的回归方 程。 用传统的回归分析建立经验公式是很麻烦的，计算过程也极易出错， 本研究中借助常用的计算机办公软件e x c e l 的专用工具和专用函数建立经 验公式，使这一烦琐的工作变得轻而易举。 根据表3 3 的试验结果和上述方法，进行线性回归，得出以下回归方 程： 51 9 7 7 5 0 + 0 8 0 5 t q - - 2 4 3 4 t t ( m p a )( r = o 9 3 )( 式3 1 0 ) e s = 1 8 6 0 4 2 + 0 8 5 t q 一2 4 1 t t( m p a )( r = 0 9 4 ) ( 式3 1 1 ) 3 5 北京变通人学t 程顺卜学位论文3z d p h ，佰 e 净制的锻造和热处理丁岂歧紫托卡洛抽样一复蟛优化 8 = 2 1 2 8 一o 0 1 2 t q + 0 0 0 3 t t a k = - - 1 7 5 9 7 + 0 ，0 3 t 妒0 3 2 i t 式中：t q 淬火温度( 。c ) t 卜回火温度( o c 、 嚣复鹾关系鼗 ( ) 圆 t = o 7 5 ) 疆t = 0 9 1 ) ( 式3 1 2 ) ( 式3 。1 3 ) 由式3 ，1 0 一3 1 3 可见，各翻归方程的复相关系数较高，因而回归方穗 有定的置信度。 3 ，4 。3 热处理参数赡诗篓掇蒙撬卡洛随撬撼簿一复形饶伲缭粟 将上述优化渚元输入输入计算机，通过蒙托卡洛随视抽样一复形优化 计磐，得出如下优化计算结果： 淬火温度t q ：8 9 5 9 0 5 。c 或9 0 0 _ - 2 5o c 霞火温度t t ：5 5 0 5 6 0 。c或5 5 5 5 。c 在上述热处理工艺条件下，z d p h 高纯净钢的力学性能应为： a b ：1 3 3 0 【3 6 0 m p a 魄：1 2 6 5 1 3 0 0 m p a 6 ：1 2 a k ：2 6 3 0 j 分叛上述爨标发现，奁所饯忧翰淳火瀵发晕曩西丈遗发下，z d p h 麓缝 净锻锶制动盘材料豹力学性能指标均较高，可以满足使用要求。 3 4 4 热处理参数计算机蒙托卡洛随机抽样一复形优化结聚的试验验证 分析以上优化结果荠与课题要求的钢种憾指标对比，认为优化所褥 笺敬槛指标中强度偏高、鲎镪性能编低，为既依据熬处理麓有关覆瑾稻 作调整，淬火温度调整为9 1 0 5 。c ，回火温度调整为6 0 0 5 0 c ，希望能 够镄强度略有降低，塑韧性能略商提高。以该热处理工艺参数进行热处蠼 霉到以下缝能摇标： o b ：1 3 2 0 1 3 4 0 m p a 吼：1 2 0 0 1 2 8 0 m p a 北京交通人学工程顺士学位论文3z d p h 高纯净钢的锻造和热处理工艺及蒙托卡洛抽样一复形优化 6 ：1 3 a k ：3 4 5 4 j 从上述力学性能指标可以发现，z d p h 高纯净锻钢制动盘材料经过这 种优化热处理之后，其在具有较高抗拉强度的同时，还可以保持较高的延 伸率，即，具有较好的综合力学性能。 对比以上试验验证结果与优化结果，可以认为优化结果是准确的，而 且优化后的热处理工艺参数的调整达到了研究目标。 3 5 小结 以种中碳、低合金钢为基础，通过特殊的纯净化处理开发了一种高 纯净z d p h 锻钢制动盘材料，其硫、磷等杂质和氧、氮、氢等气体含量比 通常的电弧炉冶炼钢有较大幅度的降低，且该含量降低到了电弧炉钢难以 冶炼的水平以下。纯净化处理可以大幅度降低钢中杂质和气体的含量，通 过纯净化处理能够达到高纯净度钢的质量要求，从而为获得具有良好综合 性能的制动盘材料奠定了基础。 始锻温度为l1 5 0 0 c 、终锻温度为8 8 0 0 c 、锻造比为3 3 的锻造工艺锻 造z d p h 高纯净钢，其工艺简单易行，工艺性能良好，锻材无裂纹等缺陷。 采用蒙托卡洛随机抽样一复形优化方法对z d p h 高纯净锻钢制动盘材 料的热处理工艺参数进行了优化处理，发现淬火温度在9 1 0 5 。c 范围 内，回火温度在6 0 0 5 。c 范围内，z d p h 钢的抗拉强度可达1 3 2 0 1 3 4 0 m p a ，屈服强度介于1 2 0 0 1 2 8 0 m p a 之间，延伸率大约1 3 ，冲击功 为3 4 5 4 j ，z d p h 高纯净锻钢材料经过这种优化的热处理后，可以获得良 好的综合力学性能。 北京瓮洒人学工程坝l 学位论土4z d p h 一船净制材料的性能j 微观结构 4z d p h 高纯净钢材料的性能与徽观结构 4 1 引言 本磷究所开发躲z d p h 铡谯经过特殊躲纯净化处理蜃，其s 、p 警杂 瀵含霪和0 、n 、h 等气体含爨降低到了避魏炉冶炼优裴锶难以至g 达鹣水 平，达到了高纯净度的要求。z d p h 高纯净锏在经过锻造比为33 、始锻温 度11 5 0 。c 、终锻温度为8 8 0 。c 的_ 锻造加工后，还进行了正火+ 调质热处理 ( 淬大温度9 国5 。c 、銎火懑菠6 0 0 5 。c ) 。 上述处理使得z d p h 高纯净钢的性能和微观结构发生了变化，下面将 分别阐述z d p h 商纯净钢材料的性能