（计算机应用技术专业论文）钢轨现场焊接自控快速热处理设备的设计.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 3 1 8 7 s 3 页 v 摘要 i 随着铁路提速重载的要求，高锰钢轨道，u 7 1 锰及一般钢轨的现场焊接 愈来愈显得重要和迫切，原来的焊接办法己采取过不少措施，学习了世界各国 焊接钢轨的先进技术和方法，想过不少办法进行过许多改进，工艺要求比较严 格，检验手段基本齐全，所有这些对保证铁路的安全运输都起过重大的作用。 目前由于现场焊接条件变化太大，操作时间紧迫，时间空间，设备人力都受到 许多限制，现场的焊接质量不尽人意，每年冬夏总有一些故障发生，严重危及 行车安全。因此用相变高塑性原理在现有的基础上把焊接质量再提高一个层 次，彻底防止焊断裂有现实意义和长远意义。 。 为了实现这一目的，我在开发“钢轨现场焊接自控快速热处理设备”过程 中作了许多研究和开发工作。广 本文论述了以下的内容：第一章绪论简要说明了轨道和钢轨焊接的一般知 识，并着重分析了钢轨焊接中热影响区对钢轨接头的危害。第二章介绍了金属 学与热处理方面的一般理论，分析了在连续加热和冷却过程中钢铁材料的性能 变化和相应的相变超塑性原理，为以后的设计提供了理论依据。第三章介绍了 热电偶的工作原理和几种测量方法。第四、五章是根据要求对m c s 一5l 单片 机系统进行开发，包括单片机的硬件设计、软件设计以及调试。第六章对可靠 性与抗干扰进行了讨论，在程序中实施可靠性编程，在硬件电路上进行了分析。 最后分析讨论了数字p i d 控制算法。 “钢轨现场焊接自控快速热处理设备”的设计包括测控部分和执行部件( 加 热设备、冷却设备) ，我主要是对测量和控制部分进行设计，测控部分还要与 其它部件配合，因此今后还有工作要作，功能需进一步完善才能投入实际运行。 f 关键词】 铝热焊相变超塑性单片机p i d 控制 a l o o 】4 0 8 09 7 西南交通大学研究生学位论文 第1 1 页 a b s t r a e t w i t ht h en e e d so fr a i l w a y s s p e e d u da n dh e a v y l o a d ，t h es p o tw e l d i n go f h i g h m a n g a n e s es t e e lt r a c k ，u 7 1 m n a n dg e n e r a lr a i li sh a v i n gb e e ni m p o r t a n ta n d u r g e n t ，e a r l yw e l d i n gm e t h o d sh a v e b e e ni m p r o v e d a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d m e t h o do fr a i lw e l d i n gh a v eb e e ns t u d i e df r o m f o r e i g nc o u n t r y t h e s ep l a yi m p o r t a n t r o l ei n g u a r a n t e e i n g s a f e r a i l t r a n s p o r t a t i o n b e c a u s e o fs p o t w e l d i n gc o n d i t i o n v a r y i n gg r e a t l y , o p e r a t i n gt i m eu r g e n t ，t i m ea n ds p a c e ，m a c h i n ea n dl a b o rp o w e r l i m i t i n g t h es p o t w e l d i n gq u a l i t yi s n o tf i tt oo u rr e q u i r e m e n ta t p r e s e n t s o m e s t o p p a g e sh a v et a k ep l a c ee v e r yy e a r s oi th a sp r a c t i c a la n dl o n g - r a n g es i g n i f i c a n c e t h a tw e i m p r o v ew e l d i n gq u a l i t yt op r e v e n tt h o r o u g h l yw e l d i n gb r o k e no n 也eb a s eo f p r e s e n t1 e v e lb yu s i n gp h a s et r a n s f o r m a t i o ns u p e r p l a s t i c i t yp r i n c i p l e i no r d e rt oc o m eu dt ot i l i s s o m es t u d ya n d p r o g r a mh a v eb e e nd o n ed u r i n gm y e x p l o r a t i o no ft h ea u t o m a t i c c o n t r o lh i g h s p e e dh e a t t r e a t i n ge q u i p m e n tf o rs p o t w e l d i n g o fr a i l f i r s t l yt h i sp a d e ri l l u s t r a t e st h eg e n e r a lk n o w l e d g eo ft h er a i la n dr a i l w e l d i n g t e c h n o l o g y s e c o n d l yt h eg e n e r a lp r i n c i p l e o fm e t a l s u b j e c t a n dh e a t t r e a t i n gi s i n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a r l c e sc h a n g eo fi r o na n ds t e e lm a t e r i a ld u r i n gc o n t i n u o u s h e a t i n g a n d c o o l i n g a n d i t s a p p r o p r i a t ep h a s e t r a n s f o r m a t i o n s u p e r p l a s t i c i t y p r i n c i p l e a r e a n a l y z e d a n dt h i r d l y t h ew o r k p r i n c i p l e o f t h e r m o c o u p l e a n d m e a s u r i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h en e x tt w oc h a p t e r s c o n t e n t sa r ed e v e l o p m e n t o fm c s 一51m i c r o c o n t r o l l e rs y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n d d e b u g g i n g a tl a s t t w op a r t s 1d i s c u s st h er e l i a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c e a n d a n a l y s e sd i g i t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m t h e d e s i g n i n g w o r kf o r “t h ea u t o m a t i c c o n t r o l h i g h s p e e dh e a t t r e a t i n g e q u i p m e n tf o rs p o t w e l d i n go f r a i l ”i sd i v i d e dt w op a r t s ：m e a s u r e c o n t r 0 1a n d e x e c u t ec o m p o n e n t m ym a i nw o r ki sm e a s u r e & c o n t r 0 1 s ot h e r ea r el o t so fw o r kt o b ed o n ea n df u n c t i o nn e e d st ob ei m p r o v e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e i k e y w o r d a l u m i n u mh e a t w e l d i n g p h a s et r a n s f o r m a t i o n s u p e r p l a s t i c i t y m i c r o c o n t r o l l e rp i d c o n t r o l c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 铁道运输是我国的重要运输方式，也是世界上其他国家陆上交通的一种重 要工具，它能够担负巨大的运量。在我国，铁路是国民经济的大动脉，是发展 社会主义经济，巩固国防和满足人民运输需要的交通工具，是我国的“先行” 企业。 1 1 轨道 线路是铁路的主要构成部分，是列车运行的基础，线路由路基和轨道构成。 轨道包括钢轨、轨枕联接零件、道床、防爬设备和道岔等，轨道铺设在路基上， 是直接承受机车车辆巨大压力的部分，经常处于列车运行的动力作用下，所以 它的各组成部分均应具有足够的强度和稳定性，以便保证列车安全、平稳和不 问断地运行。 钢轨直接承受着运动车轮的反复碾压、冲击、弯曲和磨损，因此要求钢轨 具有强度高、抗磨、抗压、抗疲劳以及韧塑性的综合性能。钢轨用钢属高碳钢， 钢料中含有少量的锰和硅，这些元素能提高钢轨的强度、耐磨性和韧性。 无缝钢轨是当今轨道结构的最佳选择，世界各国竞相发展。我国铁路无缝 线路的发展，近年来在技术上有很大进步，在数量上有较快增长。在无缝线路 问世之前，普通线路上有许多钢轨接头，我国铁路钢轨标准长度为2 5 m ，l k m 线路上的钢轨接头数为8 0 个。钢轨接头即是轨道结构中不可缺少的构造，又 是轨道结构中的薄弱环节。当车轮与之接触时，产生撞击现象，有时冲击力可 达几十吨，在此冲击力下，钢轨接头处可能有较大的变形，使钢轨破损，轨头 表面金属碎裂、剥离、掉块、螺栓孔裂纹，甚至钢轨折断，促使了钢轨接头处 永久变形。同时使机车车辆的振动加剧，噪音增大，舒适度降低，消耗更多的 动力，加速线路、机车和车辆的破损，导致设备使用寿命缩短，修理费用增大 等。从统计资料得知，养护线路接头区所耗经费约占线路养护经费的3 5 以上， 钢轨因轨端损坏而抽换的数量较因其它部分损坏而抽换的数量大2 3 倍，重伤 钢轨6 0 发生在接头区。由此可见，应减少接头数，既将钢轨焊接起来，形成 无缝线路。我国铁路规定，无缝线路上的钢轨焊接长度至少3 0 0 m ，而实际上 无缝线路的钢轨焊接长度都在l k m 以上。德、英等国率先发展超长无缝线路， 其钢轨焊接长度长达几十公里，有的整区焊接，长达数百公里。 1 2 钢轨焊接 钢轨的质量是铁路运输安全的基础，因而铁轨的生产过程是保证钢轨质量 的关键。通常钢轨是这样形成的：钢轨厂生产标准长度的钢轨，一股为2 5 米， 再由焊轨厂将2 5 米的钢轨焊接成1 2 5 5 0 0 米左右的长钢，然后运到铁路铺设 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第2 页 现场，最后焊接成1 0 0 0 2 0 0 0 米，甚至更长的钢轨。常用的钢轨焊接方法有闪 光对焊、气压焊以及铝热焊等。 1 闪光对焊 它是利用电阻将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊接方法，其生 产率高，易于实现自动化，但体积庞大。闪光对焊过程分为闪光阶段和顶锻阶 段。闪光的主要作用是加热工件，在此阶段中先接通电源，并使两工件端面轻 微接触，形成许多接触点。电流通过时，接触点发热熔化，由于熔化液体电流 密度极高，使液体金属蒸发、爆破，在蒸气压力和电磁力的作用下，液态金属 微粒不断从接口间喷射出来，形成火花急流闪光。随着闪光过程的推进，工 件整个端面形成一层液态金属，并在一定层度使金属达到塑性变形温度。在闪 光阶段结束时，立即对工件施加足够的顶锻压力，封闭工件间的间隙和液体金 属爆破后留下的火口，同时挤出端面的液态金属及氧化夹杂物，使洁净的塑性 金属紧密接触，并使接头区产生一定的塑性变形，以促进再结晶的进行，形成 共同晶粒，获得牢固的接头。 2 气压焊 它是利用氧一燃料气体火焰加热工件端头，并施加足够的压力( 顶锻力) 以形成接头的一种固态焊接方法。见图1 1 。这种焊接方法的优点是焊接区没 有铸造组织、夹杂物和气孔，焊缝可与母材作相同的热处理；不需要大功率电 源。其缺点是工件端面的焊前准备要求较高，与闪光焊相比焊接较慢。它的工 作原理是将工件对接在一起，用气体火焰在工件接头周围加热至一定温度后， 施加一定的压力进行顶锻。它要求焊前将钢轨端面进行修磨，端面要平整，并 除去有碍焊接的附着物，如锈、油、灰尘等；加热火焰须稳定，对焊接区的加 热要均匀，加压时接缝处金属须达1 2 0 0 左右，因此要控制气体流量的大小， 加热器的火焰燃烧强度，从而控制钢轨的加热温度、速度和均匀情况。另外还 要有恰当的顶锻力和顶锻最。如果顶锻力太小，当加热温度一定时，就要延长 加热时间才能达到一定的顶锻量，这时就有局部过烧的可能。如果顶锻力太大， 就会过早地达到顶锻量，则可能出现未焊合。 3 铝热焊 它是利用金属氧化物和铝之间的铝热反应所产生的过热熔融金属来加热工 件和填充接头而完成焊接的一种方法。基本过程如图1 - 2 所示。图中左上方所 示是焊前在坩埚中装以热剂，用高温火柴点燃，从而引起剧烈的化学反应。右 上方所示是反应终了的状况，热剂钢水和熔渣分离，熔渣浮在上面，将热剂钢 水注到铸型中，完成焊接。铝热焊的优点是设备简单，投资少，焊接操作简单， 不需要电源，尤其适合野外作业。缺点是焊缝金属为较粗大的铸造组织，其性 能较差。但若对焊接接头进行焊后热处理，则可使组织改进，从而可改善焊接 接头性能。 西南交通大学研究生学位论文第3 页 图1 - 1 闭式气压焊法 1 一工件2 一接头3 一氧乙炔焊炬 4 一火焰5 一顶锻力 反应前 反应终了、正在浇注 图1 - 2 热荆焊示意图 1 一坩锅2 一热剂3 一熔渣4 一热剂钢水 5 - - 砂芯6 一铸型7 - - 钢轨 工作原理：铝热化学反应是一个氧化还原反应。热剂由还原金属( 铝) 和 氧化金属( 氧化铁) 、铁合金、铁钉屑等按一定比例组成。在特制的坩埚中的 热剂经点燃后可引起强烈的化学反应，反应产生大量热量所造成的高温( 约3 0 0 0 ) 熔融金属沉于坩埚底部，而铝被氧化，构成以氧化铝为基的熔渣浮在上面。 熔化的金属随即被浇注于装配好的工件铸型中，高温熔融金属将工件的端部融 化，它本身又作为填充金属填充了接头间隙，冷却凝固后形成热剂焊接接头。 1 3 问题的提出 焊接是连接金属的一种工艺方法。从宏观上看，焊接是一种永久性的冶金 连接。从微观上讲，可以给焊接下如下的定义：两种或两种以上材料( 同种或 异种) 通过原子或分子间的结合和扩散形成永久性连接的工艺过程叫作焊接。 为了达到焊接的目的，在焊接工艺过程中常借助加热或加压，或同时实施加热 和加压措施，因此焊接过程中必然有热量的传播和分布，它贯穿于材料焊接过 程的始终，对焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接变 形以及焊接缺陷的产生都有重要的影响。 凡是通过局部加热来达到连接金属的焊接方法，不论是熔化焊或固态焊 接，焊缝附近的母材都同时被加热到高温，由于这种焊接条件下加热的瞬时性 和局部性使焊缝附近的母材在焊接时受到了一种特殊的热循环作用。其特点为 升温速度高，冷却速度快。焊接时加热的另一个特点是热场分布不均，离焊缝 愈近，母材加热到的峰值愈高，紧靠近焊缝的高温区接近于熔点，远离焊缝的 低温区接近于室温。而且，峰值温度愈高的部位，加热速度越大，冷却速度也 愈大( 见图1 3 ) 。因此可以认为，焊接过程中，在形成焊缝的同时，不可避免 地在其附近的母材内，经受了一次焊接热循环的特殊热处理，因而形成了一个 西南交通大学研究生学位论文第4 页 组织和性能均不同于母材的焊接热影响区。由图1 3 上的热循环曲线可以看出 焊接热影响区内各部位所受的热循环是不同的，这就必然导致焊接热影响区内 各部分的组织变化和性能变化都不同。由此可见，焊接热影响区本身是一个组 织和性能极不均匀的区域，其中一些组织和性能变坏了的部分往往成为整个焊 接接头中的最薄弱环节，对焊接质量起着控制的作用。在分析讨论焊接热影响 区的性能时，通常以最接近焊缝的区域为对象进行讨论。 目前钢轨用钢属于高碳钢，含碳为0 6 0 7 ，经焊接后，焊缝的热影响 区分为淬火区和不完全淬火区( 见图1 - 4 ) ，淬火区紧邻焊缝，加热到的峰值最 高，在a c 3 以上3 0 0 左右，该区域内不仅晶粒长得很粗大，而且些难熔化 的合金碳化物和氮化物都熔于奥氏体，冷却下来后得到粗大的马氏体组织或粗 大的其它混合物组织( 其组织特性属于同一类型马氏体) ，使该区域成为性 能较差，较容易出现焊接缺陷的薄弱环节，其性能特点为硬度较高，塑性较低 和韧性较差，脆裂现象常发生在该区域。不完全淬火区的加热温度范围在 a c l a c 3 之间，在快速加热条件下，铁索体很少溶入奥氏体，而其它组织( 珠 光体、贝氏体、奥氏体) 转变为舆氏体。在随后快速冷却时，奥氏体转变为马 氏体，而铁索体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体奥氏体的 混合组织。该区的碎性也大，仅次于淬火区。 ，一 筝 、i 1 ， 图1 - 3 焊缝附近热影响区内不同图l 一焊接热影响区划分示意图 部位的热循环特点i ：淬火区i i ：不完全淬火区 随着铁路提速重载的要求，高锰钢轨道，u 7 1 锰及一般钢轨的现场焊接愈 来愈显得重要和迫切，原来的焊接办法已采取过不少措施，学习了世界各国焊 接钢轨的先进技术和方法，设备就进口有德国的，瑞士的，原苏联的等多 种，气体保护焊，电阻焊( 对接焊) ，铝热焊等在不同的地方和时间都得到了 应用。钢轨轨头打磨正火等都有相应的较好设备，想过不少办法进行过许多改 西南交通大学研究生学位论文第5 页 进，工艺要求比较严格，检验手段基本齐全，所有这些对保证铁路的安全运输 都起过重大的作用。但由于现场焊接条件变化太大，操作时间紧迫，时间、空 间设备、人力都受到许多限制。目前现场焊接质量不尽人意，每年总有一些故 障发生，严重危及行车安全。 前面说明了常用的焊接方法。一般来说，在焊轨厂通常用闪光对焊方法， 并且焊后要对焊接接头进行“正火”处理，接头的质量可以得到保证。而现场 用的气压焊，由于要求高，操作复杂，现场焊接条件变化大，而且偏远地区的 电力不足，所以受到一定的限制。铝热焊法被公认为是一种高效快速的方法， 它工艺简单，适合工地流动作业，利于施焊联合接头和维修。但铝热焊接接头 断轨多的原因除其强度低于钢轨母材( 约为母材的7 0 ) 以外，还与铝热焊工 艺，操作人员的技术水平等因素有关。由于接头是铸造组织，焊缝金属内的气 泡、夹杂物成了使用中的疲劳源。郑州局k 5 5 9 k 6 4 7 上下行，1 9 7 8 1 9 8 4 年 共断轨2 4 6 次，其中铝热焊接头占断轨数的8 3 3 。半沙大线k 2 2 5 - k 3 7 0 ： k 5 0 9 ，于1 9 8 6 - 1 9 8 7 年铺设6 0 k g m 轨的无缝线路，次年就发现断轨17 处， 铝热焊占断轨总数的7 6 。铝热焊断轨改变了无缝线路设计长度，使其优越性 不能充分发挥。断轨后，线路临时处理时，常见轨腰钻孔粗糙，又造成了新疲 劳源，致使日后螺孔开裂，给无缝线路带来了很多危害。 根据上述情况，提出了一种实现钢轨现场焊接的方案，即在现场用铝热焊 焊接钢轨后，再用一种热处理设备对焊接接头进行热处理，在现有的基础上把 焊接质量提高一个层次，彻底防止焊断裂现象。此设备要求用单片机进行智能 控制，温控范围0 1 0 0 0 c 5 。c ( 控温精度5 。c ) ，加热区5 0 m m ；能快速自 动升降温( 升降温3 - 5 次，每次时间约1 0 分钟左右) ；并且此设备体积小，能 耗小，应用简单易操作。 几个慨念 珠光体：它是一种比较硬、韧但不脆的金属组织。钢中的珠光体数越多， 分布越均匀，层次越薄，则钢轨强度极限越高，晶粒越小，钢轨强度及抗磨性 也越好。目前我们使用的钢轨在正常情况下也属于珠光体组织。 强度：金属的强度是指金属在受到一个对试件进行拉伸的外力作用下抵抗 变形和断裂的能力。 塑性：是指在外力作用下，金属产生永久变形而不发生破裂，并在除去外 力后仍能保持己变形的形状的能力。 韧性：冲击韧性是金属材料抵抗冲击载菏下引起破断的能力。 硬度：是指金属材料表面抵抗硬物压入的能力。一般硬度高的材料，强度 也高，塑性较差，而耐磨性好。 西南交通大学研究生学位论文第6 页 第二章金属热处理理论及相变高塑性原理 金属材料是现代工业、农业、国防及科学技术的重要物质基础。制造各种 机器设备、船舶、车辆、仪器仪表都要使用大量的金属材料。金属材料的各种 性能决定于它的内部组织结构。因此，要想正确地选用金属材料以及采用不同 的工艺来制造加工零件设备，就必须掌握金属材料的内部组织结构及其变化规 律。 2 1 金属的晶体结构 晶体是指内部原子按一定规律整齐地排列的固态物质。一般的固态金属及 合金都是晶体，晶体具有一定的熔点，在熔点以上，晶体变成液体，处于非结 晶状态；在熔点以下，液体变成晶体，处于结晶状态。实际使用的工业纯铁、 纯铝、纯铜等都是多晶体，是由无数个晶粒组成的。将晶粒中的原子抽象化， 把每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，就形成了个空间格子， 称为晶格。大多数金属都有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的金属 晶体结构有三种：体心立方晶格，面心立方晶格和密排六方晶格。见图21 。 体心立方 中心有一个原子 面心立方 六个面的中心各 有一个原子 密排六方 内部有三个原于 图2 - 1 有些金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银、金等。有些在固态 下具有两种或多种晶体结构，如铁、锰、钛、钴等。固态金属在不同的温度或 压强下具有不同晶体结构的现象称为同素异晶现象，也叫金属的多形性。具有 多形性的金属，当温度或压强改变到一定值时，便会发生同索异晶转变，也叫 多形性转变。 常见的金属材料都是多晶体，是由无数个晶粒组成，每个晶粒的大小称为 晶粒度。金属的晶粒大小对金属的许多性能有很大影响，晶粒度的影响，实质 是晶界面积大小的影响。晶粒越细小，则晶界面积越大，对性能的影响也越大， 见图2 - 2 。一般来说是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越 好。( 在晶粒交界处，两边原子的排列不能恰好衔接一致，因而出现一个原子 排列不太规则的过度区叫晶粒界面) 。 c 1 1 0 0 1 4 0 8 0 9 7 “ 西南交通大学研究生学位论文第7 页 图2 - 2 多晶体中原子排列示意图 两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，具有金属 特性的物质称为合金。工业上应用很广泛的碳素钢和铸铁主要是由铁和碳组成 的合金。合金的性能比纯金属更为优异，因为它的组织结构比纯金属更为复杂， 组成合金的元素相互作用，形成各种不同的相所致( 相是指合金中具有同一化 学成分，同一结构和原子聚集状态，并以界面而互相分开的、均匀的组成部分。 在合金的组织中，不同的相被相界面分开，它们的化学成分、晶体结构及性能 均不相同) 。 在液态下，大多数合金的元素均能相互溶解，成为一个均匀的液体，因而 只具有一个液相。在凝固后，由于各元素的晶体结构，原子结构等不同，各元 素间相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构。相图是表示合金系 中合金状态与温度、成分问关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同 温度、成分下各相关系的图解，因此又称为状态图或平衡图。 2 2 铁碳合金状态图 钢铁材料是工业中应用范围最为广泛的合金，它们都是以铁和碳为基本组 元的复杂合金。而铁碳状态图是研究铁碳合金的基本工具，它不仅可以表明平 衡条件下任一铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系，而且可以推断其性能 与成分或温度的关系，因此它是研究钢铁的成分、组织和性能之间关系的理论 基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 固溶体：如果合金的元素在固态下能彼此互相溶解，则在液态合金凝固时， 元素的原子将共同地结晶成一种晶格，晶格内包含有各种元素的原子，晶格的 形成与一种元素相同，这样这些元素就形成了固溶体。 纯铁的熔点为1 5 2 8 。在固态时，铁具有两种同素异晶状态。在9 1 2 以 下，铁具有体心立方晶格，称为q - - f e ：在9 1 2 1 3 9 4 之间具有面心立方晶 格，称为y - - f e ；在1 3 9 4 - 1 5 3 8 之间又具有体心立方晶格，为区别低温时的 西南交通大学研究生学位论文第8 页 a - - f e ，就称它为6 - - f e 。铁的同素异晶转变可用下式表示： - 2 7 3 9 1 2 。c1 3 9 4 。c1 5 3 8 l 咄jl 吨jl 。咄j 体心立方面心立方体心立方 碳在n - - f e 中形成的固溶体叫铁素体，它的代表符号是n 或f 。铁索体的强 度和硬度低，而塑性和韧性好，碳溶于6 - - f e 形成的固溶体叫6 固溶体，以 6 表示，也是铁素体。碳在y - - f e 中形成的固溶体叫奥氏体，代表符号是y 或 a ，它是一个硬度较低而塑性较好的相。 图2 - 3 是铁碳合金状态图。图中各点的温度，碳浓度及其意义表示于表2 1 中。状态图中的a b c d 线为液相线( 表示合金的结晶开始温度) 。a h j e c f 线 为固相线( 表示合金的结晶终了温度) 。状态图中有五个基本的相，相应的有 五个单相区： a b c d 以上液相区a h n a 6 固溶区n 厄s a 卜奥氏体区 g p q 以左铁素体区 d f k i ，一渗碳体区 状态图上还有七个两相区，它们分别存在于相邻两单相区之间，这些两相区是 l + y ，l + f e 3 c ，6 + y ，y + a ，d + f e 3 c 及y + f e 3 c 。此外，j ，c 及s 点分 别被看作是三相“区”。铁碳合金状态图的各相区如图2 - 3 所示。 图2 - 3 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 西南交通大学研究生学位论文第9 页 注 表2 1 铁碳台金状态图中的特性点 符号 温度 含碳量说明 a1 5 3 80 纯铁的熔点 b 1 4 9 5o 5 3 包晶转变时液体合金的成分 c1 1 4 84 - 3 0 共晶点 d1 2 2 76 6 9 渗碳体的熔点 e1 1 4 82l l 碳在y - - f e 中的最大溶解度 f1 1 4 86 6 9 渗碳体的成分 g9 1 2o n - - f e = i - - f e 转变温度( a ，) h1 4 9 50 0 9 碳在6 - - f e 中的最大溶解度 j1 4 9 50 ，1 7 包晶点 k7 2 76 6 9 渗碳体的成分 n1 3 9 4o y - - f e = + 6 一f e 盼转交温度 p7 2 7o 0 2 1 8 碳在- - f e 中的最大溶解度 s7 2 707 7 共折点( a ，) q 6 0 00 0 0 5 7 6 0 0 c 时碳在- - f e 中的溶解度 个固相的转变过程称为共晶转变 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与定成分的液相作 用，形成另一个一定成分的固相的转变过程 共析转变：在一定温度下，由一定成分的固溶体转变成一定成分的 两相的混合物，这种转变称为共析转变 我们讨论的钢轨用钢为u 7 1 m n 号钢，含碳为o 6 2 0 7 7 。属于亚共析钢 ( 含碳 o 7 7 ) 。现分析其平衡结晶过程及组织。其组织转变示意图如图2 - 3 表示。在1 点以上合金为液体。温度降致l 点后，开始从液体中析出6 固溶体。 1 2 点之间为l 十6 。在2 点发生同素异晶转变，形成奥氏体( y ) ，转变结果 为6 固溶体耗尽，除奥氏体外。还有过剩的液体。温度继续下降，在2 3 点之 间从液体中继续析出奥氏体，液相浓度沿b c 线变化，奥氏体浓度沿厄线变 化，到了3 点后合金全部凝固，变成单相奥氏体。温度由3 点到4 点，是奥氏 体的单相冷却过程，组织没有变化。继续缓慢冷却至4 5 点时，由奥氏体析出 铁索体( 同素异晶转变) 。在此过程中，奥氏体成分沿g s 线变化，铁索体成 分沿g p 线变化。当温度达到7 2 7 c 时，奥氏体的成分到达5 点，形成珠光体。 此时原先析出的铁素体保持不变，这时的组织为铁索体和珠光体。当继续冷却 时，铁素体的含量沿p q 线降低。所有的亚共析钢在室温时的组织都是由铁索 体与珠光体组织成的，其差别仅在于其中珠光体p 与铁素体的相对量不同。含 碳量越高，则珠光体越多，铁索体越少。 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 2 3 钢的热处理原理 钢的热处理工艺特点是把钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时 间，然后以预定的方式冷却下来，通过这样一个工艺过程，使钢的性能发生预 期的变化。钢的性能是由钢的组织决定的。钢在固态加热、保温和冷却过程中， 会发生一系列的组织转交。在不同的条件下则会形成不同的组织，具有不同的 性能。 根据前面的f e c 合金状态图知道，碳素体在加热和冷却过程中，经过p s k 线( a i 线) 时会发生珠光体与奥氏体之间的相互转变；经过g s 线( a 3 线) 时会发生铁索体与奥氏体之间的相互转变。亚共析钢有两个临界点a 1 和a 3 点，它们都是平衡临界点，实际的加热转变点和冷却转变点都偏离临界点，而 且加热和冷却的速度越大，其偏离也越大。为了区别于平衡临界点，通常将加 热转变点标上“c ”，冷却转变点标上“r ”。碳素钢的这些临界点在f e c 合金 状态图上的位置示意图2 4 。这几个转变点的物理意义如下： a c l ：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度。 a c 3 ：加热时游离铁索体全部转变为奥氏体的终了温度。 a r l ：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。 a t 3 ：冷却时奥氏体开始析出游离铁索体的温度。 r ，纩 黝? ， 图2 4 碳素钢的临界点在f e c 合金状态图上的位置 一钢在加热时的转变。 由f e - 一c 合金状态图可知，任何成分的碳素钢加热到a l 点以上都会发生 珠光体向奥氏体的转变；加热到a 3 点以上便全部转变为奥氏体。热处理时进 行a l 点以上加热的目的，就是为了得到奥氏体。通常把这种转变过程称为“奥 氏体化”。奥氏体具有面心立方晶格，塑性很好，冷却时在不同的冷却速度下i 会发生不同的转变，形成不同的组织，具有不同的性能。所以一般热处理时都 要首先加热到奥氏体，然后再在一定的冷却速度下形成所需的组织。 1 亚共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢在室温时是铁索体与珠光体的机械混合物，加热到a 1 以上时， 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 珠光体首先变成奥氏体。随后在a 1 至a 3 的升温过程中，自由铁索体逐渐变 成奥氏体。当温度超过a c 3 点时，转变全部完成，得到单相奥氏体。珠光体是 铁索体和渗碳体的两相混合物，它向奥氏体的转变是由成分相差悬殊，晶格截 然不同的两相，变成另一种晶格的单相均匀固溶体；铁素体变成奥氏体，也就 由体心立方晶格变成面心立方晶格。因此在转变过程中必然进行铁原子的晶格 改组，即发生相变： a 1 以上 q + f e 3 c y 2 影响奥氏体化的因素 1 ) 加热温度和保温时间的影响 第一：加热温度必须高于a l 点，珠光体才能向奥氏体转变。转变需经过一 段孕育期后才开始。温度越高，育期越短。 第二：转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需的时间越短。 第三：同样一个奥氏体化状态，即可以通过较低的温度较长的时间得到， 也可以通过较高温度较短时间得到。 2 ) 加热速度的影响 在继续升温加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响。图2 - 5 是o 7 c 钢的连续加热奥氏体化曲线。图中第一条曲线表示珠光体向奥氏体转变开始： 第二条曲线表示奥氏体化第一阶段完成，得到奥氏体和残余渗碳体组织；第三 条曲线表示残余渗碳体溶解完毕，得到成分不均匀的奥氏体；第四条曲线表示 奥氏体己经均匀化。从图中可以看出，加热速度越快，转变的开始温度a c l 就越高，终了温度也越高，并且转变的孕育期越短，转变所需的时间也越短。 若以1 0 ，s 的加热速度，a c l 在7 5 0 左右，a c 3 在7 9 0 左右。 3 1 其它 钢中加入合金元素，一般都使奥氏体化过程减慢。原始组织中晶粒越细， 连续加热的m 曲线图图2 - 6 连续冷却转变曲线( c c t 曲线) c 1 1 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 3 奥氏体晶粒大小 奥氏体晶粒大小是评定加热质量的指标之一。奥氏体晶粒大小对随后冷却 时的转变，以及转变产物的性能都有重要的影响。加热时，当珠光体刚刚转变 为奥氏体时，奥氏体的晶粒非常小而均匀，如果继续在临界温度以上升温保温， 晶粒就会自动长大，温度越高，时间越长，晶粒就长得越大。晶粒长大以后， 在冷却时就不能再变小。只有冷却到a 1 点以下，使奥氏体分解成铁素体和渗 碳体的两相组织，再加热到a l 点以上，重新形成奥氏体，才能使晶粒再变小。 所以重新奥氏体化是细化晶粒的主要手段之一，经过反复多次快速短时奥氏体 化，就能使奥氏体晶粒越来越细小。这就是晶粒细化原理。 影响奥氏体晶粒度的因素主要有加热温度和时间以及加热速度的影响。 在每一次加热时，随着时间的延长，晶粒不断长大。加热温度越高，晶粒长大 越快，最终尺寸也越大；反之，温度越低，时间越短，晶粒就越细小。在最高 加热温度相同时，加热速度越快，则加热时间短，晶粒来不及长大，奥氏体晶 粒越细小，所以快速短时加热是细化晶粒的手段之一。另外，当加热温度相同 时，钢中含碳量越低，则奥氏体晶粒越细小。 二钢在冷却时的转变 冷却过程是钢的热处理关键工序，它决定着钢在冷却后的组织和性能，钢 在冷却时的转变规律，不仅是热处理工艺所依据的原理，也是制订热加工后冷 却工艺的理论根据。我们涉及的是在不同冷速下连续冷却过程的奥氏体连续冷 却转变规律。见图2 - 6 。对于连续冷却c c t 曲线，应当沿着冷却曲线由左上方 向右下方来读，连续冷却曲线清楚地反映出奥氏体在各种冷速下连续冷却过程 中发生的各种转变，以及各种转变进行的温度、时间和转变量。图2 - 6 绘出亚 共析钢的连续冷却曲线。左边一条是转变开始线，右边一条是转变终了线。由 图可以看出，随着冷速的增大，铁索体析出量减少，珠光体变量先增后减，直 至为零。与此同时，随着冷速的增大，转变产物的硬度愈来愈高。冷速较小时， 奥氏体只发生铁素体析出和珠光体转变，而当冷速大到一定值，还会有其它产 物出现，如马氏体( m ) 、贝氏体( b ) ，其表现为脆硬。 亚共析钢在冷速不高的情况下形成片状珠光体，珠光体转变可以写成如下 反应式：y a + f e 3 c ，它是铁素体和渗碳体的混合物。片状珠光体的片层间 距是它的一个主要指标，是指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离，片层间距 的大小主要取决于冷速，而与奥氏体的晶粒度和均匀性无关。冷速越大( 但不 能超过一定编值，否则不能得到珠光体而形成其它脆性较大的组织) ，则形成 的珠光体组织越细，片层间距越小。片状珠光体的性能主要取决于片层间距， 片层间距越小，则珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也好。这是因为 珠光体的基本相是铁索体，很软弱，易变形，主要靠渗碳体片分散其中来强化。 渗碳体的强化作用并不是依靠其本身的高硬度，而是依靠相界面来强化。渗碳 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 体片越厚，则片层间距越大，相界面越小，强化作用也越小，同时不容易变形， 容易脆裂，形成大量微裂纹，降低塑性和韧性。反之渗碳体片越薄，越容易随 同铁素体一起变形而不脆裂，同时相界面积大，强度高。 以上对钢的热处理过程进行了说明，钢的热处理工艺如“退火、正火、淬 火、回火”等都是根据上面加热和冷却过程的规律来制定的热处理方法，由不 同的加热温度，加热时间和加热速度等来得到不同的组织，获得不同的性能。 2 4 相交高塑性原理 塑性是指金属在外力作用下能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能 力，它有如下的特点： 1 塑性的大小标志材料的变形能量储备，对同种材料来说，塑性高表示使用 中不易发生脆断，开裂，比较安全。 2 塑性标志材料的冶金质量，塑性好表示材料的杂质少，纯度高。 3 塑性标志在压力加工中的变形能力，塑性愈高愈容易进行加工成形，愈容 易制造形状复杂的零件。 材料( 包括金属和非金属材料) 在特定的内在及外在条件下显出的异常高 的塑性称为高塑性( 即超塑性) 。超塑性的出现首先取决于材料的内在条件， 如化学成分，显微组织( 包括晶粒大小，形状及分布等) 以及是否具有相变的 能力。具备上述内在条件的材料，在适当的外在或试验条件下便会产生超塑性。 试验条件包括温度，加热方式( 恒温或加热循环) 及应变速率等。所谓的“相 变”，是指同成分的金属或合金结晶类型的改变，即同素异晶转变，譬如铁 的体心立方晶格到面心立方晶格的转变；或是珠光体p 到奥氏体y 的转变。 从前面的分析讨论，我们知道晶粒越细，金属的塑性越高，经过反复多次 短时的奥氏体化能使晶粒变细，并且加热速度越快，晶粒越细小。耜变超塑性 就是根据此结论得出的理论。利用相变超塑性可以防止焊缝附近的开裂。熔化 焊是使接合部分熔化进行焊接的方法，在这种情况下，在焊接部分集中了大量 的高温热源，由于熔化一凝固收缩，相变体积变化以及焊接热影响区的限制 情况等互相关联，会产生很大的变形。因为这些原因，经常出现焊接裂纹或出 现显著的焊接变形。相变超塑性在熔化焊方面的应用是利用热影响区发生的相 变产生的超塑性来提高上述焊缝区的强韧性。 下面对焊缝的热处理参数( 最高加热温度，最低冷却温度和热循环次数 作初步的确定) 。 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 u 7 1 和u 7 1 锰的化学成分如下： cs im nps u 7 l0 6 4 0 7 701 3 0 2 80 6 0 o 9 0 = o 0 4 0 = 00 5 0 u 7 1 m n0 6 5 0 7 701 5 o - 3 511 0 1 5 0 v e e 。 e o c ：转换周期结束标志输出。当每一个a d 转换周期结束，e o c 端输出一 个宽度为始终周期二分之一宽度的正脉冲。 o r ：过量程标志输出。平时为高电平，当l v x i v r 时，o r 端输出低电平。 d s l - d s 4 ：多路选通脉冲输出端。d s l 对应千位，d s 4 对应个位。每个选通脉 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 西南交通大学研究生学位论文 第3 5 页 拜琵夏为1 8 夺爵弭周期，两个相邻脉冲之间间隔2 个时钟周期，其脉冲 时序如图4 1 6 。 q o q 3 ：b c d 码数据输出线。其中q o 为最低位，q 3 为最高位。在d s 2 ，d s 3 和d s 4 选通期间输出三位完整的b c d 码。但在d s l 选通期间，数 据输出线q o q 3 的组合除了表示千位为0 或1 外，还表示了转换值 的正负极性和欠量程、过量程，其含义见表4 1 。 图4 1 5 e 竹且竺坠一j - 八一 d s i n ! ! 尘吐塑壁建豳 ，邮一 d s 2 二_ 1 一卜d s 3 厂1 盟地盥驾扯 d s 4 j l 卜几一 q o q 3 趣殛* 面伍卜一h 二 图4 1 6 表4 - l d s l 选通时q 0 , - q 3 表示的输出结果 d s l q 3q 2q lq o输出的结果 ll0 千位数为0 l0 0 千位数为1 1lo 输出结果为正值 l0o 输出结果为负值 l o l输入信号过量程 1ll 输入信号欠量程 注：过量程时 欠量程时 a d 转换输出为1 9 9 9 。 a i d 转换输出 1 7 9 3 5 g 1 4 4 3 3 的电路连接与元件参数选择 1 ) 积分电阻r 1 决定积分电流的大小，太小会由于印制板极漏电流引起误差， 太大会超出放大器负载能力。积分电流c 1 确定积分时间常数，保证线性 积分。积分电阻r 1 和积分电容c 1 的选择公式如下： r 1 ：堡坠三 c 1矿 v ) ( m a x ：输入电压量程 v ：积分器电容的充电电压幅值，其值为： av = v d d w x m a x - - 0 5 v t ：常数。t = 4 0 0 0 x ( 1 f o l k ) 恤钆吼钆m础碱幽虿孤耋言怡， m 豇m m伽嘶w脚哪 r g 丑 西南交通大学研究生学位论文第3 6 页 例：当c 1 = 0 1 u f lv d d = 5 v ，f c l k = 6 6 k h z 时 若v x m a x = + 2 v则r 1 = 4 8