典型生產工藝對無碳化物貝氏體鋼軌組織與性能的影響

2022-02-16 06:56:22劉佳朋杜涵秋李英奇金紀勇劉豐收

中國鐵道科學 2022年1期

劉佳朋，杜涵秋，李英奇，任屹，金紀勇，劉豐收

（1.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；2.鞍鋼股份有限公司技術中心，遼寧鞍山 114009）

珠光體鋼是目前應用最廣泛的鋼軌材質，其抗拉強度可通過合金化與熱處理的方法［1?3］提升至1 400 MPa 以上。雖然高強珠光體鋼軌具有優良的耐磨性，但是韌性儲備不足，沖擊功僅能達到10～30 J。重載鐵路鋼軌常存在較多的滾動接觸疲勞傷損，增大了線路維修養護成本與安全風險［1?4］，因此需要綜合提高鋼軌的耐磨性與抗接觸疲勞性能，以滿足重載鐵路的發展需要。

近些年，無碳化物貝氏體鋼軌被認為是適用于未來嚴苛服役環境的可選鋼軌之一［5］，國際上對其微觀組織與服役性能的關聯性開展了大量研究，如Hui 等［6］發現貝氏體鋼軌相比珠光體鋼軌具有更高的氫敏感性，Gui等［7］發現滾動接觸疲勞裂紋的產生與塊狀殘余奧氏體組織有關，Qi 等［8］認為穩定的奧氏體組織對貝氏體鋼強韌性的提升有益。許多學者還研究了貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌的耐磨性差異，有些人［9?10］認為貝氏體鋼軌由于加工硬化率低而呈現較差的耐磨性能，也有些人［11］通過試驗發現貝氏體鋼軌的耐磨性能優于珠光體鋼軌。雖然上述研究工作探索了貝氏體鋼軌微觀組織與服役性能的關聯性，然而如何通過優化生產工藝以實現理想的微觀組織與力學性能配合，缺乏足夠的研究。

本文針對我國研發的無碳化物貝氏體鋼軌，重點研究矯直、回火及在線熱處理等典型生產工藝對其微觀組織與力學性能的影響，通過優化鋼軌生產工藝進一步提升無碳化物貝氏體鋼軌服役性能。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

無碳化物貝氏體鋼軌的主要生產流程如圖1所示。從圖1可以看出：通過3 種典型的鋼軌生產工藝，即矯直、回火與在線熱處理，工業試制5種不同狀態的無碳化物貝氏體鋼軌。其中，熱軋態鋼軌空冷后的樣品標記為1#鋼軌（HR）；1#鋼軌經過矯直后，標記為2#鋼軌（HR+RS）；對2#鋼軌進行回火，回火溫度約為593 K，記為3#鋼軌（HR+RS+T）；熱軋態鋼軌在空冷過程中進行噴風加速冷卻，即在線熱處理，再進行矯直，記為4#鋼軌（Q+RS）；對4#鋼軌進行回火，記為5#鋼軌（Q+RS+T）。

圖1 無碳化物貝氏體鋼軌的主要生產流程

5 種無碳化物貝氏體鋼軌具有相同的化學成分，具體的主要化學成分見表1。

表1 無碳化物貝氏體鋼軌的化學成分（質量分數） %

1.2 試驗方法

采用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）以及背散射電子衍射法（EBSD），對無碳化物貝氏體鋼軌的微觀組織形貌進行觀測。應用X射線衍射技術（XRD），對無碳化物貝氏體鋼軌中的殘余奧氏體（RA）體積分數進行測量。測量時選用Co-Kα 特征X 射線為入射X 射線，通過Lynxeye XE 探測器接收30°～115°的衍射信息，X 射線掃描步進角度為0.02°。殘余奧氏體體積分數的分析方法基于（200）α，（211）α，（200）γ，（220）γ與（311）γ衍射峰的積分強度，具體計算方法與方程式參見文獻［12］。

在力學性能測量方面，采用Intron-Rock?WELl 574 型硬度測量儀測量鋼軌踏面硬度；采用MTS-CMT5305 型多功能試驗機進行單軸拉伸試驗，拉伸試驗樣品為棒狀，直徑為10 mm，標距長度為50 mm，試樣沿鋼軌軋制方向于軌頭切取；采用MTS-ZBC3302-A 型沖擊試驗機進行沖擊韌性試驗，Charpy U 型沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×50 mm，取樣位置與試驗方法按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行；斷裂韌性試驗采用三點彎曲試樣，試樣的厚度為25 mm、寬度為40 mm，試驗溫度為?20 ℃；采用鋸切應變片法對鋼軌進行殘余應力測量，分別選取軌頭、軌腰及軌底中心作為測量點，測量3組；疲勞裂紋擴展速率測試采用三點彎曲、單邊缺口試樣，試樣的厚度為20 mm、寬度為45 mm、切口長度為10 mm、預裂紋長度為2.5 mm，試驗條件如下：室溫（20 ℃），應力比R為0.5，加載頻率為15 Hz，應力強度因子范圍ΔK為10.0和13.5 MPa·m1/2。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織形貌

由于不同生產工藝下的無碳化物貝氏體鋼軌微觀組織形貌具有相近性，選取3#鋼軌與5#鋼軌作為重點研究對象，基于SEM的微觀組織形貌如圖2所示。

圖2 SEM微觀組織形貌

從圖2可以看出：3#鋼軌與5#鋼軌微觀組織具有相似的典型特征，即薄膜狀殘余奧氏體（RA）位于貝氏體鐵素體（BF）片層間，而較粗大的塊狀殘余奧氏體（M/A）多分布于原奧氏體晶界處；5#鋼軌的BF 片長較3#鋼軌短，BF 片層的厚度更薄且更為致密，均說明在線熱處理可細化貝氏體組織。

為了更深入研究無碳化物貝氏體鋼軌中的復雜相組成結構，3#鋼軌與5#鋼軌的TEM 微觀組織形貌如圖3所示。從圖3可以看到：不同生產工藝下的貝氏體鋼軌均存在2 種不同微觀形貌特征的殘余奧氏體組織，即薄膜狀RA 與塊狀M/A；此外，少量的孿晶馬氏體組織在3#鋼軌與5#鋼軌中均有所發現。

圖3 TEM微觀組織形貌

基于以上SEM 與TEM 的微觀表征，對5 種鋼軌的貝氏體鐵素體（BF）片間距進行統計計算，統計均值見表2。

表2 5種無碳化物貝氏體鋼軌BF片間距均值 μm

從表2可以看出：由于在線熱處理加快了冷卻速度，有利于貝氏體鐵素體片層的細化；另外，低溫（593 K）回火過程對貝氏體鐵素體片層的細化影響較小。

選取典型的5#鋼軌作為研究對象，采用EBSD微觀表征技術對其晶體取向分布進行統計測量，結果如圖4所示。從圖4可以看出：5#鋼軌的相組成主要為貝氏體鐵素體片層與殘余奧氏體；殘余奧氏體的含量較少，分布較為分散。

圖4 5#鋼軌EBSD微觀組織晶體取向分布

5#鋼軌微觀組織的晶體取向極圖如圖5所示。從圖5可以看到：貝氏體鐵素體最大取向因子為2.13，傾向于各向異性，沒有明顯的晶粒取向；殘余奧氏體最大取向因子為8.87，存在較強的晶粒取向。因此，在實際應用中，殘余奧氏體的應力誘發相轉變過程可能也具有一定的受力取向性。

圖5 5#鋼軌微觀組織晶體取向分布極圖

2.2 典型生產工藝對殘余奧氏體穩定性影響

為了更好地觀測衍射斑的位置，不考慮衍射強度大小，采用縱向平移的方式，均勻排列5種無碳化物貝氏體鋼拉伸前軌頭組織的XRD 衍射譜如圖6（a）所示。從圖6（a）可以看出：不同生產工藝下貝氏體鋼軌的（200）α，（211）α，（200）γ，（220）γ與（311）γ衍射峰峰位（即衍射角2θ）基本一致，僅衍射強度有所差別。為了評價殘余奧氏體在5種無碳化物貝氏體組織中的穩定性，對無碳化物貝氏體鋼進行3%拉伸應變的加載，卸載后從拉伸試樣的標距段切取橫截面試樣作為XRD 的測量樣品，其中1#鋼軌拉伸前后的XRD 衍射光譜對比如圖6（b）所示。從圖6（b）可以看出：通過X射線探測器計數可知，1#鋼軌殘余奧氏體的衍射峰強度在拉伸后明顯有所降低，即發生了殘余奧氏體相轉變。

圖6 5種無碳化物貝氏體鋼軌的XRD衍射光譜

通過對（200）α，（211）α，（200）γ，（220）γ與（311）γ衍射峰積分強度進行擬合［12］，可定量計算5種無碳化物貝氏體鋼軌拉伸前后的殘余奧氏體體積分數，結果如圖7所示。為了評價殘余奧氏體在不同貝氏體組織中的穩定性，定義穩定性因子α，即未轉變殘余奧氏體在初始殘余奧氏體含量中的比重，具體如圖7所示。從圖7可以看到如下結果。

（1）1#鋼軌的殘余奧氏體體積分數為12.44%，2#鋼軌的殘余奧氏體體積分數為10.60%，說明矯直可促使部分殘余奧氏體發生應力誘發馬氏體相變。這是由于塊狀殘余奧氏體相比薄膜狀殘余奧氏體更不穩定，在應力作用下，更易轉變。需要注意的是，由于奧氏體的儲氫能力較馬氏體強，亞穩殘余奧氏體在服役中發生相變會導致氫溢出，降低貝氏體鋼軌的服役性能。因此，通過矯直提高無碳化物貝氏體鋼軌殘余奧氏體的穩定性十分必要。

（2）比較2#鋼軌與3#鋼軌、4#鋼軌與5#鋼軌，可知回火后殘余奧氏體穩定性更高。4 種經過矯直的無碳化物貝氏體鋼軌，其殘余奧氏體穩定性在93.3%～95.3%范圍內，在線熱處理對殘余奧氏體穩定性影響較小。

2.3 典型生產工藝對無碳化物貝氏體鋼軌力學性能的影響

2.3.1 踏面硬度

踏面硬度是重載鐵路鋼軌的重要力學性能指標，其對鋼軌的耐磨性具有重要影響。5 種無碳化物貝氏體鋼軌的踏面布氏硬度統計均值見表3所示。從表3可以看出：矯直、回火及在線熱處理均有助于提高踏面硬度，其中在線熱處理提高的作用最大；矯直與回火促使不穩定組織發生轉變，穩定微觀組織結構，也可少量提高硬度。

2.3.2 單軸拉伸性能

5 種無碳化物貝氏體鋼軌的工程應力應變曲線如圖8所示。從圖8可以看出：5 種無碳化物貝氏體鋼軌的彈性階段基本重合，矯直與熱處理不改變彈性模量。

圖8 5種無碳化物貝氏體鋼軌的單軸拉伸工程應力應變曲線

通過分析可獲得工程應力應變曲線中的3 項典型拉伸性能參數，即屈服強度Rp0.2，抗拉強度Rm，斷后伸長率A。將工程應力應變曲線（圖8）轉變為真應力應變曲線，真應力應變曲線的塑性變形段可用Hollomon 公式（σ=kεn）擬合，其中σ為真應力，k為強度因子，ε為真應變，n為加工硬化系數。通過數值擬合，可計算獲得5 種無碳化物貝氏體鋼軌的加工硬化系數。

5 種無碳化物貝氏體鋼軌的屈服強度Rp0.2，抗拉強度Rm，斷后伸長率A及加工硬化系數n如圖9所示。

圖9 5種無碳化物貝氏體鋼軌拉伸性能指標對比

從圖9（a）可以看出：熱軋態下1#鋼軌、2#鋼軌與3#鋼軌具有相近的抗拉強度等級（1 280～1 290 MPa），而在線熱處理后4#鋼軌與5#鋼軌具有更高的抗拉強度等級（1 410～1 420 MPa），說明無碳化物貝氏體鋼軌的抗拉強度與冷卻速度存在較大關系，在線熱處理不僅能提高屈服強度（提高19%以上），尤其能提高抗拉強度，是3 種生產工藝中唯一能夠提高抗拉強度的生產工藝；5 種無碳化物貝氏體鋼軌的屈服強度各不相同，說明屈服強度受生產工藝的影響較大，對比1#鋼軌與2#鋼軌的單軸拉伸性能，可知1#鋼軌具有較低的屈服強度（746 MPa）和較高的斷后伸長率（18%），這是因為1#鋼軌未經歷矯直，其內部組織存在較多的不穩定殘余奧氏體，不穩定殘余奧氏體含量越多，屈服強度越低，斷后伸長率則越高，因此矯直對屈服強度和斷后伸長率有較大影響，但對拉伸強度的影響較小；回火可明顯提高屈服強度，但對抗拉強度的影響很小，無碳化物貝氏體鋼軌的屈服強度與微觀組織的穩定性密切相關，由于回火提高了無碳化物貝氏體組織的穩定性，相當于提高了殘余奧氏體發生相變的門檻值，從而提高了屈服強度。

從圖9（b）可以看出：加工硬化系數和斷后伸長率隨著殘余奧氏體體積分數的降低而降低，這是由于殘余奧氏體在無碳化物貝氏體鋼軌變形中會發生相變誘發塑性效應（TRIP），有助于提高無碳化物貝氏體鋼的延展性與加工硬化能力，而3 種生產工藝均可提高殘余奧氏體的穩定性，從而減弱殘余奧氏體的TRIP效應。

2.3.3 軌底殘余應力

選取典型熱軋態3#鋼軌與在線熱處理態5#鋼軌為研究對象，進行鋼軌不同部位殘余應力測量，結果見表4。表中：負值表示壓應力。

表4 3#鋼軌與5#鋼軌殘余應力測試對比

從表4可以看到：3#鋼軌與5#鋼軌軌底殘余應力相近，表明在相同矯直和回火工藝下，在線熱處理對軌底殘余應力的影響不大。

鐵道行業標準TB 2034—1988《鐵路軌道強度檢算法》規定：按最大可能載荷（動載荷）作用下軌道各部件的一次破壞強度進行強度檢算。無縫線路鋼軌檢算的強度條件要求軌頭和軌底的邊緣荷載應力的最大可能值不超過鋼軌鋼的屈服強度σs除以一定的安全系數K安所得出的容許應力［σ］，即

式中：σd為軌頭或軌底所受動彎應力；σt為溫度應力；σ殘為殘余應力。

在強度檢算時，K安取1.3。國內外鋼軌生產和使用實踐表明，對珠光體鋼軌，當軌底殘余應力≤250 MPa時，鋪設無縫線路是安全的。U71MnG鋼軌的屈服強度為526 MPa，此時，U71MnG鋼軌的容許應力［σ］為405 MPa。

目前，根據《1 380 MPa 級貝氏體鋼軌暫行技術條件》規定，貝氏體鋼軌軌底最大殘余應力≤330 MPa。3#鋼軌與5#鋼軌的屈服強度分別為1 123和1 340 MPa，對應的鋼軌容許應力［σ］分別為864 和1 030 MPa，相比珠光體鋼軌的容許應力，該增量大于400 MPa，足以滿足無碳化物貝氏體鋼軌殘余應力的最大允許增量（80 MPa）。由此可見，鋼軌使用容許應力的增加遠遠大于殘余應力的增加，從這一角度而言，鋼軌強度的安全儲備是足夠的。

2.3.4 斷裂韌性

鋼軌的韌性指標與鋼軌安全使用有關，一般經驗認為，韌性越好，抗斷裂性能越好。通過制備U型沖擊試樣，于室溫對5 種無碳化物貝氏體鋼軌軌頭、軌腰與軌底進行沖擊功測量，結果見表5。

表5 5種無碳化物貝氏體鋼軌的沖擊功

從表5可以看出：相比于2#鋼軌，矯直前的1#鋼軌具有更高的沖擊功，這與1#鋼軌中具有更高體積分數的殘余奧氏體有關；比較2#鋼軌與3#鋼軌、4#鋼軌與5#鋼軌，可知回火能夠明顯提升沖擊功，提升沖擊韌性20%以上；比較3#鋼軌與5#鋼軌，可以看到在線熱處理對提升沖擊功有明顯作用。

選取1 280 與1 380 MPa 強度等級下典型的無碳化物貝氏體鋼軌為研究對象，即3#鋼軌與5#鋼軌，進行15 組斷裂韌性測試，試驗結果如圖10所示。從圖10可以看出：3#鋼軌在?20°C 的斷裂韌性平均值均大于49.7 MPa·m1/2，單個最小值均大于48.1 MPa·m1/2；5#鋼軌在?20 °C 的斷裂韌性平均值均大于75.9 MPa·m1/2，單個最小值均大于70.1 MPa·m1/2；通過比較3#鋼軌與5#鋼軌斷裂韌性可知，在線熱處理可顯著提高無碳化物貝氏體鋼軌的斷裂韌性。

圖10 -20 ℃下3#鋼軌與5#鋼軌的斷裂韌性對比

2.3.5 疲勞裂紋擴展速率

選取1 280 與1 380 MPa 強度等級下典型的無碳化物貝氏體鋼軌為研究對象，即3#鋼軌與5#鋼軌，進行疲勞裂紋擴展速率（da/dN）測試，通過擬合擴展速率方程計算給定不同應力強度因子ΔK下的da/dN；為了對比珠光體鋼軌的裂紋擴展速率，與《攀鋼百米軌熱處理報告》中給出的U78CrVH，U75VH 和U71MnH 在線熱處理鋼軌的da/dN測量值進行對比，結果見表6。

表6 貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌疲勞裂紋擴展速率對比

從表6可以看出：裂紋擴展速率與鋼軌強度等級正相關。5#鋼軌的強度等級最高，其裂紋擴展速率最快；對于珠光體組織鋼軌，同樣符合上述規律，即U78CrVH>U75VH>U71MnH；5#鋼軌的疲勞裂紋擴展速率明顯高于3#鋼軌，可知在線熱處理提高無碳化物貝氏體鋼軌強度等級的同時，也會加快的裂紋擴展速率。

雖然在線熱處理加快了裂紋擴展速率，負面上加速了裂紋的發展過程，但是也提升了斷裂韌性，從而增大了鋼軌抵抗疲勞斷裂的能力，更有力地保證了鋼軌服役的安全性。

3 提升無碳化物貝氏體鋼軌服役性能優化方向

國外對貝氏體鋼軌的研究優化分為3 個方向：①通過提高強度（以德美為代表，強度等級達到1 300～1 400 MPa）增強耐磨性能；②通過提高鋼軌抗接觸疲勞傷損能力（以法日為代表，強度等級為1 100～1 200 MPa）減少鋼軌打磨費用；③通過提高抗沖擊性能（以英美為代表）延長貝氏體道岔部件使用壽命。因此，對于我國貝氏體鋼軌的研發，需要根據不同的線路應用需求（耐磨、抗接觸疲勞或抗沖擊），有針對性地調控生產工藝參數與化學成分，從而得到更適用于線路環境特征的貝氏體鋼軌性能指標。

耐磨性能主要與材料的微觀組織與硬度有關［13?15］，對于相同類型的微觀組織（如珠光體），耐磨性主要由其實際服役的硬度決定。這里的“服役硬度”與其初始硬度及加工硬化能力相關。初始硬度與加工硬化系數越高，鋼軌服役過程中的硬度上限值越大，則耐磨性越好。對于在線熱處理無碳化物貝氏體鋼軌，雖然初始硬度值較高（440 HB），但是其加工硬化能力較珠光體鋼軌弱［14］，本文的試驗結果也可驗證此結論（如圖9所示）。根據前期研究可知，在線熱處理無碳化物貝氏體鋼軌加工硬化后的實際服役硬度低于U78CrVH 珠光體鋼軌，耐磨性不如U78CrVH鋼軌。

對于無碳化物貝氏體鋼軌的抗接觸疲勞性能，主要與其強韌性有關。屈服強度越高，鋼軌抵抗疲勞裂紋萌生的能力越強，然而屈服強度也不可過高，否則會犧牲一定的加工硬化能力與塑性。

因此，為了綜合兼顧無碳化物貝氏體鋼軌的耐磨性與抗接觸疲勞性能，需在提高屈服強度與抗拉強度的同時，提升加工硬化能力與塑性。在微觀組織與生產工藝優化方面，具體可優化的思路為：①通過成分設計適當增加殘余奧氏體體積分數；②通過優化矯直及回火工藝，提高殘余奧氏體的穩定性；③通過優化在線熱處理工藝，細化貝氏體鐵素體片間距，提高強韌性。