U76CrRE热处理钢轨组织及疲劳断裂行为研究

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为了满足当下国家发展对铁路运输提出的更高要求,某轨梁厂研制出新一代珠光体型稀土钢轨U76CrRE。因其具有较好的力学性能受到了广泛关注。但是U76CrRE钢轨钢的疲劳性能却鲜有报道。本文通过对U76CrRE钢轨钢的CCT曲线、TTT曲线的研究,优化在线热处理工艺,进一步提升U76CrRE钢轨钢的力学性能。结合合金化手段对比分析了1#与2#实验钢,探究热处理工艺、Cr元素含量对U76CrRE钢轨钢相变过程以及疲劳性能的影响。结果如下:利用淬火膨胀仪测定并绘制了U76CrRE钢轨钢的CCT曲线、TTT曲线。结果表明:U76CrRE钢轨钢珠光体相变的临界冷却速度为14℃/s,580℃~540℃是其等温热处理工艺的最佳等温温度区间;其相变临界点Ac1为736.3℃,Accm为780.9℃,Arcm为694.3℃,Ar1为660.0℃。通过优化淬火热处理工艺细化1#实验钢的显微组织提升1#实验钢的力学性能。随着相变前冷却速度的增加、等温温度的降低、等温时间的缩短,1#实验钢的珠光体片层间距由153.8nm缩小至67.4nm;560℃-30s是1#实验钢的最优热处理工艺。具体表现为抗拉强度1370MPa,硬度390HB,断后伸长率为12.57%,断面收缩率为41.32%。通过测定1#实验钢不同淬火热处理后的疲劳循环次数及疲劳裂纹长度绘制a-N曲线及疲劳裂纹扩展速率曲线。表明:随着相变前冷速的增加,等温温度的降低,1#实验钢的疲劳循环次数增大,疲劳裂纹扩展速率减小。1-4#(560℃-30s)实验钢疲劳循环次数(91.4万次)最大,且具有最好的强韧性。1-4#实验钢ΔK=10MPa·m1/2时da/d N=8.3m/Gc。ΔK=13.5MPa·m1/2时da/d N=19.5m/Gc。随着相变前冷却速度的增加、等温温度的降低,1#实验钢疲劳宏观断口粗糙度降低、疲劳微观断口辉纹间距、解理面尺寸均逐渐减小。1-4#实验钢实验钢Ⅰ区辉纹间距为2.42μm,Ⅱ区辉纹间距为3.65μm,Ⅲ区解理面尺寸为36.2μm。高Cr2#实验钢实验结果表明:1#、2#实验钢的相变表观激活能分别为216.9KJ/mol、354.8KJ/mol。2-1#实验钢ΔK=10MPa·m1/2时da/d N=19.5m/Gc。ΔK=13.5MPa·m1/2时da/d N=19.5m/Gc。Cr含量的增加能够阻碍珠光体相变的发生,提升珠光体相变激活能,降低珠光体相变的转变速率。随着合金元素Cr含量的增加,2#实验钢的力学性能、疲劳循环次数提高的同时,疲劳裂纹扩展速率有一定程度的降低。
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