辙叉用高强高韧贝氏体钢研究

摘要

辙叉是铁路线路的关键构件之一，服役过程中受到巨大的交变冲击载荷和高应力的作用，不仅要求材料具有高强度高韧性，还要求材料耐磨损等，为铁路的安全、高效提供保障。空冷贝氏体钢具有高的强度（1200MPa以上）、良好的韧性（室温冲击韧性40J以上），良好的焊接性等优点，因此被普遍认为是制造钢轨及辙叉的新一代结构材料。但是，随着中国铁路向重载化方向快速发展，对铁路用关键部件辙叉的强韧性、耐磨性和抗疲劳性提出了更高的要求，同时无缝线路的大力发展也要求钢轨和辙叉具有良好的焊接性。提高贝氏体钢轨性能的方法有合金化法和热处理方法，合金化法主要通过添加Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素提高钢的强度和硬度，保证贝氏体钢具有良好的韧性，但加入合金元素过多易使贝氏体钢的组织产生偏析，对材料的力学性能和组织均匀性、稳定性不利。实际生产中，热处理方法主要通过等温处理和控制冷却实现贝氏体钢的组织控制。为了获得良好的贝氏体组织，必须尽量减少贝氏体钢中的合金元素含量，提高贝氏体组织的均匀性和稳定性。同时，结合热处理，调节贝氏体钢的性能和组织，使其达到良好的强韧性配合。
　　本文设计了9种贝氏体钢，采用真空感应熔炼炉进行冶炼并锻造，评价了不同成分贝氏体钢的强度、硬度、室温冲击韧性，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等技术对各材料的显微组织进行了研究，并探讨了C、Cr、V、Ni、Al等元素对各材料组织和性能的影响。结果表明，贝氏体钢的组织主要为无碳化物贝氏体+M/A岛，薄膜状残余奥氏体分布在贝氏体铁素体板条间，也有少量分布在贝氏体铁素体板条内，与板条成20°～40°夹角。随着C含量增加，M/A岛数量和残余奥氏体的含量增多，贝氏体钢的强度随之增加，塑韧性先增加后降低。随Cr含量增加，贝氏体钢的组织变细，贝氏体铁素体尺寸减小，板条间薄膜状残余奥氏体厚度变薄，贝氏体钢的强度随之增加，A和Z先增高后降低。添加V、Ni有利于提高钢的强度和硬度，改善钢的韧性。Al与Si有相似的作用，能够抑制贝氏体中的碳化物析出，使贝氏体钢形成无碳化物组织，但添加Al后贝氏体组织较粗，添加Al代替部分Si的贝氏体钢抗拉强度低于1250MPa，远低于其他贝氏体钢的抗拉强度（1400MPa以上）。通过合金元素优化，得到了强、韧、塑性配合较好的化成成分，其力学性能为:Rm=1467MPa，Rp0.2=850MPa,A=17.0％,Z=45.5％,KU2=52J,HRC=44.4。
　　对试验贝氏体钢进行了热处理，热处理工艺为:900℃保温1.5h随炉冷却至室温+900℃保温1.0h空冷至室温+300℃保温3～4h空冷至室温。热处理使组织均得到了不同程度的细化，原贝氏体铁素体板条间的残余奥氏体厚度减小，贝氏体铁素体板条变得细长。XRD测试结果表明，经热处理后试验贝氏体钢的残余奥氏体含量均下降。力学性能测试结果表明，热处理对贝氏体钢的力学性能产生了不同的影响。
　　在实验室试验的基础上，进行了辙叉贝氏体钢工业化试制，并对其连续冷却特性曲线进行测定，得到了特征点Ac1=730℃、Ac3=873℃、Ms=320℃。由连续冷却特性可知，在0.05℃/s～1.0℃/s冷速范围内，该贝氏体钢可获得以贝氏体为主的组织，当冷速大于1.5℃/s时，获得的组织为低碳马氏体为主;随着冷速增大，低碳马氏体含量逐渐增多。对工业化试制的贝氏体钢进行热处理优化试验，由显微组织和力学性能分析结果发现，退火可使贝氏体钢的晶粒细化，有助于改善钢的塑韧性，而正火温度过高可使晶粒粗化，不利于钢的塑韧性。由此得到了优化后的热处理工艺。
　　本文研究的贝氏体钢已用于制造镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉，使用情况表明，上道半年至一年后，贝氏体钢辙叉的翼轨和叉心表面质量良好，磨耗较少，基本没有出现剥离掉块等伤损问题。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外辙叉用钢的研究概况

1．3 贝氏体钢的研究概况

1．4 本论文的研究内容与意义

2 本文采用的主要试验方法

2．1 试验钢的冶炼及锻造

2．2 微观组织观察

2．3 材料性能表征

3 辙叉用贝氏体钢化学成分优化研究

3．1 成分设计思路及方案

3．2 实验材料及方法

3．3 合金元素对贝氏体钢显微组织的影响

3．4 合金元素对贝氏体钢性能的影响

3．5 本章小结

4 热处理对贝氏体钢组织和性能的影响

4．1 热处理方案设计

4．2 试验材料及方法

4．3 退火+正火+回火对贝氏体钢组织的影响

4．4 退火+正火+回火对贝氏体钢性能的影响

4．5 本章小结

5 辙叉用贝氏体钢的工业化试制

5．1 试验材料及方法

5．2 贝氏体钢的连续冷却特性

5．3 贝氏体钢的热处理优化试验

5．4 贝氏体钢的工业应用

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文的主要结论

6．2 论文的主要创新点

6．3 展望

参考文献

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