錳對貝氏體車輪鋼組織和力學性能的影響

祝家祺，譚諄禮，高 博，張 斌，張 弘，張明如，白秉哲，翁宇慶

（1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心，安徽 馬鞍山 243000）

磨損和疲勞剝落是車輪運行過程中常見的失效形式。近年來隨著鐵路朝著高速、重載方向快速發展，車輪的磨損和疲勞剝落問題也更加嚴重［1］。當前普遍使用的珠光體車輪強度已經接近極限，很難滿足鐵路高速重載的后續需求［2］。因此，研究具有更高強度和更高韌性匹配的新型車輪鋼鐵材料成為目前研究的熱點。

無碳化物硅—錳系貝氏體鋼以其良好的強韌等綜合性能得到越來越多的關注［3］。國內主要車輪生產企業馬鞍山鋼鐵股份有限公司和中國鐵道科學研究院已經對硅—錳—鉬—釩系貝氏體車輪鋼開展了相關研究工作，結果表明貝氏體車輪在強度、硬度、韌性方面都明顯優于現有珠光體車輪［4-6］。錳作為該系列貝氏體鋼的重要形成元素，可延緩奧氏體的高溫相變，推遲高溫鐵素體形成，同時還能起到固溶強化、穩定殘余奧氏體等作用［7］。諸多學者對錳在貝氏體相變過程中的影響進行了研究。龍小燕等人［8］的研究表明，鋼中加入合金元素錳可以降低轉變溫度使貝氏體板條細化。劉世楷等人［9］認為，錳在貝氏體形核時可對原奧氏體晶界起到拖曳作用，從而使等溫轉變（Temperature-Time-Transformation，TTT）曲線右移。胡寬輝等人［10］研究后發現，提高錳含量（下文含量均指質量分數）可以提高鋼的淬透性，減少高溫鐵素體的形成。但以上研究中所用鋼種的合金成分和熱處理工藝等與車輪用鋼存在一定差異。截至目前，錳對貝氏體車輪鋼轉變以及組織性能的影響還未進行過系統研究。

本文基于JmatPro 軟件模擬，再進行小爐冶煉試驗，結合材料力學、韌性測試和電子顯微鏡觀察，就不同錳含量對貝氏體車輪鋼的物性參數和組織性能等的影響等問題進行研究，分析錳對空冷貝氏體車輪鋼組織轉變規律的影響，獲得可使貝氏體車輪鋼達到理想綜合力學性能的錳含量，并且通過實物貝氏體車輪對這一結論進行驗證。

1 試驗材料及方法

1.1 CCT和TTT曲線模擬

采用JMatPro 軟件模擬碳、錳、硅主要合金元素含量的改變對試驗鋼連續冷卻轉變（Continuous Cooling Transformation，CCT）曲線和貝氏體TTT曲線的影響。模擬試驗鋼的化學成分見表1。

表1 模擬試驗鋼化學成分 %

模擬時，碳、硅、錳3 種元素在其各自含量范圍內分別取5 組，改變某一種元素的含量時其余各元素均保持不變。對模擬得到的碳、硅、錳不同含量時試驗鋼的CCT和TTT曲線進行對比分析。

1.2 小爐冶煉貝氏體車輪鋼試驗

以模擬結果為基礎，確定小爐冶煉試驗鋼的化學成分見表2。從表2可見，BM1—BM4 鋼的不同僅是錳含量逐漸從1.5%提高到2.2%，其余合金成分均一致。小爐冶煉試驗鋼經感應熔煉后澆注成25 kg 鑄錠，隨后進行鍛造，切割成小塊進行去應力退火。

表2 小爐冶煉試驗鋼化學成分（質量分數） %

將退火后的4 組試樣在900 ℃奧氏體化40 min后空冷至室溫，再加熱至320 ℃進行2 h 回火，以便進行材料性能測試和電子顯微鏡觀察。力學性能測試采用萬能拉伸試驗機，進行室溫拉伸測試，拉伸速度為1 mm·min-1，試樣為M12 標準拉伸式樣。韌性測試采用JBDS-300B 型沖擊試驗機，進行全尺寸U 型缺口沖擊韌性試驗。硬度測試采用TH320 全洛氏硬度計，每個試樣測10 個點，取平均值。電子顯微鏡觀察采用蔡司EVO.18掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進行顯微組織觀察。

根據材料性能測試和顯微鏡觀察結果，在退火后的4 組試樣中選取錳含量分別為1.7%和2.0%的BM2 和BM3 這2 組試樣，按照GB/T 225—2006《淬透性的末端淬火試驗方法》取樣，采用FBD-Ⅲ-2型端淬試驗機進行淬透性測試和對比。

1.3 實物貝氏體車輪試驗

錳含量為2.0%的實物貝氏體車輪試樣采樣于中試試制車輪。實物車輪貝氏體車輪試樣與小爐冶煉試驗鋼試樣采用相同的方法進行拉伸和沖擊測試，依照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應變斷裂韌度K1C試驗方法》進行斷裂韌度的測試，并使用蔡司EVO.18 SEM 和FEI TECNAI G20，200 KV 透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）進行微觀形貌觀察。實物貝氏體車輪的化學成分見表3。

表3 實物貝氏體車輪化學成分 %

2 試驗結果及討論

2.1 錳含量對貝氏體轉變影響的模擬

碳、錳、硅是貝氏體車輪鋼中最重要的幾種組成元素之一。這3 種元素不同含量時對鋼種CCT曲線和TTT 曲線影響的模擬結果如圖1—圖3所示。

圖1 錳含量對貝氏體和馬氏體轉變的影響

圖2 碳含量對貝氏體和馬氏體轉變的影響

圖3 硅含量對貝氏體和馬氏體轉變的影響

由圖1可知：隨著錳含量的提高，CCT 曲線的貝氏體轉變區域右移明顯，臨界冷卻速度下降較快，可見錳對于提高鋼種的淬透性作用較大；隨著錳含量提高，TTT 曲線右移，同一溫度下的貝氏體轉變孕育期變長，且延遲作用明顯，這樣將有助于形成更為細小的貝氏體組織。

由圖2和圖3可知，碳、硅含量的增加同樣會使CCT 曲線中貝氏體轉變區右移和TTT曲線中貝氏體孕育期延長，但是二者對曲線右移的影響程度都不及錳的作用大。可見錳對于貝氏體組織的轉變特征和材料相應的最終性能有十分顯著的影響。

BM2 鋼和BM3 鋼的端淬試驗硬度曲線如圖4所示。由圖4可知：2 種鋼在端面附近硬度相近，均為45 HRC 左右，但在試樣內部，隨著距端面距離的增加冷速逐漸降低，BM2 鋼的硬度呈現明顯的下降趨勢，而錳含量更高的BM3 鋼硬度能夠保持在較高水平，表現出比BM2 鋼更高的淬透性；從距端面30 mm 位置開始，隨著離端面距離的加大，BM2鋼硬度都顯著低于BM3鋼；盡管BM3鋼的硬度在距端面80 mm 左右的位置也開始明顯下降，但在距端面95 mm 位置處的硬度仍高于BM2鋼。

圖4 不同錳含量貝氏體車輪鋼端淬試驗結果

可見，錳在影響貝氏體轉變方面具有關鍵作用，主要體現在推遲貝氏體轉變，降低貝氏體形成溫度和提高鋼種淬透性幾個方面。尤其當錳含量由1.7%提高至2.0%時，鋼種淬透性有跨越式提升。但是，不同錳含量下車輪鋼的組織類型和適合的貝氏體車輪鋼錳元素含量需結合試驗進行確定。

2.2 錳含量對貝氏體車輪鋼組織的影響

不同錳含量空冷貝氏體車輪鋼（奧氏體化空冷及后續回火處理）的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可見：4 種試驗鋼都以貝氏體組織為主；BM1鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體（Granular Bainite，GB），并有少量的板條貝氏體（Lath Bainite，LB）存在，但同時還存在較多大塊的，長度為10～20 μm 的先共析鐵素體（Proeutectoid Ferrite，PF）；BM2 鋼顯微組織與BM1 鋼相似，同樣出現了先共析鐵素體，但相比BM1 鋼，其先共析鐵素體尺寸較小且板條貝氏體的比例有所增大；BM3 鋼和BM4 鋼則以板條貝氏體組織為主，未出現先共析鐵素體，但相對而言，BM4 鋼的粒狀貝氏體組織含量較少，且貝氏體板條尺寸更細小。

綜上所述，隨著錳含量提高，高溫轉變的鐵素體含量逐漸減少直至消失，從以在較高溫度區域形成的粒狀貝氏體為主的組織過渡到以在較低溫度區域形成的板條貝氏體為主的組織［11］。錳元素這種避免高溫鐵素體相變，推遲貝氏體轉變，降低Bs點（貝氏體轉變開始溫度）的效果可起到細化組織的作用［12］，有利于車輪鋼綜合性能的提高。當貝氏體車輪鋼中錳含量低于1.7%時，在冷速較低的情況下發生了高溫轉變，說明鋼的淬透性有待提高。由于車輪屬于大厚件，車輪表面和芯部冷速差別巨大，淬透性不足不僅可能導致車輪芯部力學性能難以得到保證，同時可能使車輪不同位置的組織梯度較大。而當錳含量在2.0%以上時能夠完全避免高溫鐵素體相的出現，且基體組織能得到均勻和細化的板條貝氏體組織。

2.3 錳含量對貝氏體車輪鋼力學性能的影響

小爐冶煉鋼的力學性能測試結果見表4。由表4可見：提高錳含量有助于小爐冶煉試驗鋼抗拉強度、屈服強度和硬度的提高；錳含量為2.0%時抗拉強度可達1 272 MPa，相比錳含量為1.7%時提高約7%，但二者的屈強比基本保持一致，均為0.78 左右；當錳含量低于1.7%時，BM1 和BM2的平均沖擊功為87 J；而當錳含量高于2.0%時，BM3和BM4鋼的平均沖擊功提升到120 J，在強度提升的同時，沖擊功提高近40%。

表4 小爐冶煉試驗鋼的力學性能

BM2 鋼和BM3 鋼沖擊斷口的SEM 圖像如圖6所示。從圖6可見：BM2鋼基本為準解理斷裂，存在少量的撕裂棱和韌窩，處于韌性斷裂與脆性斷裂的過渡階段；而BM3 鋼為微孔聚集型斷裂，斷口處有大量的韌窩，呈明顯韌性斷裂特征。

錳含量提高對強度和硬度的貢獻主要體現在固溶強化和細化貝氏體板條帶來的組織強化作用。另外，組織中板條貝氏體比例的增大、粒狀貝氏體比例的降低也會使鋼的強度和硬度提高。但是，造成BM2 鋼和BM3 鋼強韌性匹配存在較大跨度的原因，主要在于BM2鋼中大塊先共析鐵素體的出現。軟相先共析鐵素體的出現會使材料的強度和硬度下降，大塊先共析鐵素體的存在則會加速裂紋的擴展，這可能是導致貝氏體鋼沖擊韌性大幅降低的主要原因［13］。

錳含量低于1.7%，將導致貝氏體車輪鋼強度硬度和韌性匹配不足。而從輪軌匹配和輪軌維修更換的經濟性角度考慮，車輪硬度越高，鋼軌的磨損量也越大［14］。故在貝氏體車輪鋼的化學成分中，錳含量為2.0%時較為理想，這樣既能保證車輪在較低冷速下不出現對性能有害的先共析鐵素體，同時又能使車輪與鋼軌具有良好的硬度匹配，以保證車輪的使用壽命和運行安全。

圖6 沖擊斷口SEM圖像

2.4 實物貝氏體車輪的組織及性能

根據上述工作確定了較為理想的貝氏體車輪鋼成分，中試試制了錳含量為2.0%的實物貝氏體車輪。實物貝氏體車輪輪輞踏面附近和踏面下35 mm位置的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可見：車輪踏面附近為貝氏體/馬氏體復相組織，鐵素體板條（Lath Ferrite，LF）間有亞微米級的膜狀殘余奧氏體（Retained Austenite，RA），這種薄膜狀的殘余奧氏體對提高材料的韌性具有顯著作用［7］；輪輞踏面下35 mm 位置為板條貝氏體+粒狀貝氏體組織，TEM 圖像中除了貝氏體鐵素體（Bainite Ferrite，BF）基體外，可以看到明顯的塊狀M/A島組織；在這2 個位置處的組織中均未發現大塊先共析鐵素體。

圖7 車輪不同位置顯微組織

實物貝氏體車輪輪輞踏面附近和踏面下35 mm位置處的力學性能與ER8 珠光體車輪的力學性能［15］對比見表5。由表5可見：車輪踏面附近的抗拉強度達到了1 348 MPa、屈強比為0.84，輪輞芯部的抗拉強度也有1 141 MPa、屈強比為0.77，這2 個位置處的塑性和沖擊功都處于較高水平，尤其沖擊功分別達到了95 和105 J，表現出非常良好的強塑韌性匹配；在塑性水平基本持平的情況下，實物貝氏體車輪在抗拉強度、屈強比和韌性方面都要遠強于ER8 車輪鋼，尤其是實物貝氏體車輪鋼的屈服強度提高近1 倍，沖擊功提高3 倍以上，斷裂韌性也較ER8車輪高近43%。

圖8 車輪不同位置TEM圖像

表5 實物車輪輪輞的力學性能

總體而言，實物貝氏體車輪的力學性能和顯微組織與小爐鋼試驗結果基本一致。由此可見，當錳含量為2.0%時，貝氏體車輪可得到理想的微觀組織，且力學性能相比現有ER8 珠光體車輪有明顯優勢，具備一定的實際應用前景。

3 結 論

（1）錳對推遲貝氏體轉變，細化組織和提高車輪鋼淬透性有顯著作用。錳含量低于2.0%時，貝氏體車輪鋼自高溫空冷過程中容易出現先共析鐵素體組織，將導致硬度和韌性的明顯下降。

（2）隨著錳含量提高，車輪鋼基體組織中板條貝氏體的比例增加，粒狀貝氏體比例降低，使得強度有所提高。

（3）貝氏體車輪鋼的錳含量為2.0%時可獲得較理想的顯微組織和綜合力學性能。

（4）采用2.0%Mn 含量的貝氏體實物車輪具有優于現有ER8 珠光體車輪鋼的良好強韌性能和較理想的顯微組織。