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贝氏体钢以其高的强度、适当的韧度已逐渐在工业中,尤其是铁路轨道中得到广泛应用。与传统下贝氏体钢相比,无碳化物贝氏体钢中无硬脆碳化物析出,具有更优异的强韧性匹配,因此具有更为广阔的应用前景。与Si元素相比,Al元素不仅能够抑制碳化物的析出,同时还兼具降低钢的氢脆敏感性、加速贝氏体相变等有利作用。因而,近年来Al元素被越来越多的用于无碳化物贝氏体钢的合金化中。本文以铁路轨道用含Al无碳化物贝氏体钢为主要研究对象,研究了不同工艺处理后贝氏体钢的微观结构和性能、残余奥氏体的机械稳定性及氢脆特性。同时,研究了铁路轨道用含Al无碳化物贝氏体钢的热变形、疲劳及磨损等性能。研究结果表明,辙叉用30Mn2CrNiMoAlSi钢在经普通正火处理后再在320℃回火,或直接在320℃等温淬火后再在320℃回火工艺处理,可获得更高强度和韧性的性能组合。相比而言,在正火处理后经较高的温度360℃回火或340℃等温淬火后,由于C原子扩散到残余奥氏体中的速率更快,从而提高了其中的含碳量,残余奥氏体表现出相对较高的机械稳定性。正火处理之前,20%的小变形量高温变形不仅可以提高贝氏体的相变速度、细化显微组织,提高钢的强韧性,还可以进一步提高残余奥氏体的机械稳定性。与24Mn2CrNiMoSi2钢相比,30Mn2CrNiMoAlSi钢中的残余奥氏体相表现出更高的机械稳定性。对辙叉用30Mn2CrNiMoAlSi钢进行不同变形量的冷轧处理,对其氢脆行为进行了研究。结果表明,变形后残余奥氏体转变为氢脆敏感性高的马氏体相;同时变形提高了材料内应力、增加了缺陷密度,这些因素加剧了氢原子的富集,使得变形后贝氏体钢的氢脆敏感性显著提高。理论分析结果表明,Al元素部分代替Si元素不仅能够减小因氢的加入而导致的晶胞结合能降低的程度,同时还能够进一步提高氢原子在晶胞中的扩散势垒,从而降低无碳化物贝氏体钢的氢脆敏感性。依据辙叉用34Mn2CrNiMoAlSi钢高温变形流变曲线,构建了精度达到98.4%的热变形本构方程,以及不同变形量下的高温变形热加工图,并据此得出了可以获得细小均匀奥氏体组织的最佳热加工参数:989–1012℃,0.01–0.02 s-1和1034–1066℃,0.07–0.22 s-1,为无碳化物贝氏体辙叉钢的热加工成形提供了学术参考。最后,对一种可用于制造铁路钢轨的24Mn2CrNiMoAlSi钢的疲劳和磨损行为进行了研究。结果表明,空冷转变得到的贝氏体组织和珠光体组织具有相当的磨损性能;在同一应变幅下,含Al无碳化物贝氏体钢空冷转变后的试样比珠光体钢轨钢试样具有更长的疲劳寿命;24Mn2CrNiMoAlSi钢的耐磨性和疲劳性能匹配更好。