【摘 要】
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过共析钢轨作为新一代珠光体钢轨,由于含碳量高而具备高强度、硬度以及耐磨性,但随之而来的脆性增加及局域性能弱化问题,易使钢轨在使用过程中发生瞬间失效。本文以1#、2#含Ni、3#Ni-Ce、4#Cu-Ce过共析钢轨用钢为研究对象,研究热处理工艺优化后微合金元素对实验钢微观组织、力学性能以及疲劳性能的影响,结合透射电镜分析,研究微合金元素在过共析轨钢中的作用机理。热处理优化结果表明:1#过共析轨钢在5
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过共析钢轨作为新一代珠光体钢轨,由于含碳量高而具备高强度、硬度以及耐磨性,但随之而来的脆性增加及局域性能弱化问题,易使钢轨在使用过程中发生瞬间失效。本文以1#、2#含Ni、3#Ni-Ce、4#Cu-Ce过共析钢轨用钢为研究对象,研究热处理工艺优化后微合金元素对实验钢微观组织、力学性能以及疲劳性能的影响,结合透射电镜分析,研究微合金元素在过共析轨钢中的作用机理。热处理优化结果表明:1#过共析轨钢在560℃保温30s力学性能最佳,其片间距为99nm,抗拉强度为1289MPa;2#含Ni、3#Ni-Ce、4#Cu-Ce过共析轨钢在540℃保温60s时力学性能最优,抗拉强度分别达到了1437MPa、1420MPa、1358MPa,断后伸长率分别为11.2%、13.8%、12.2%,断面收缩率分别为44.8%、48.3%、40.2%,片间距分别为81nm、70nm、69nm,其中3#Ni-Ce过共析轨钢综合力学性能最优。研究结果表明:Ni、Cu元素提升了热处理过共析轨钢的抗拉强度,其中Ni元素的强化效果要大于Cu元素;Ce元素可显著提升过共析轨钢的塑性,珠光体片层细化效果最显著。疲劳裂纹扩展行为研究结果表明:热处理工艺优化使过共析轨钢的珠光体片间距减小,疲劳辉纹间距变小,疲劳性能均明显提升。其中2#含Ni钢疲劳循环次数N最高,达到了104万次,裂纹扩展速率最慢,m=1.759,在ΔK=10 MPa·m1/2和ΔK=13.5 MPa·m1/2时的疲劳裂纹扩展速率分别达到了7.6m/Gc和13.2m/Gc,这是由于2#钢热处理后片状渗碳体含量高且渗碳体片层相对较厚,有效抑制了裂纹扩展,从而具有最小疲劳辉纹间距。TEM分析结果表明:热处理促进了稀土元素Ce的微合金作用,引起晶格畸变,破坏局部渗碳体与铁素体的长大方式,改善部分珠光体组织形貌,提高3#Ni-Ce钢的塑性。而热处理后2#含Ni钢中渗碳体片层状组织较多且相对较厚,抵抗疲劳裂纹扩展的能力增强而使2#含Ni钢具有最佳疲劳性能。另外,2#含Ni、3#Ni-Ce钢中（Fe、Cr）7C3可与渗碳体片层共同阻碍位错运动,加上Ni的固溶强化作用,可明显提高钢的强度;（Fe、Cr）7C3还会造成裂纹偏折,降低裂纹扩展速率,有助于提高钢的疲劳性能。3#Ni-Ce、4#Cu-Ce钢中Ce细化Nb C析出相,促进Nb C在铁素体基体中的均匀分布,增强析出强化效果;热处理可促进Ce在晶界的偏聚,充分发挥Ce细化珠光体片间距、净化强化晶界作用,从而使3#钢具有最优力学性能。
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