簡析元素在鋼軌材料中的作用及傷損影響

【摘要】在我國，高速、重載鐵路運輸因接觸疲勞導致車輪、鋼軌的服役壽命嚴重降低。隨著鐵路客貨運量的增大和列車速度的提高，輪軌滾動接觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴重，它不僅大大增加鐵路的運營成本，而且直接危害行車安全。

【關鍵詞】元素；鋼軌傷損；合金

一、引言

不同元素在鋼軌中有不同的作用：C，Si，Mn是基木元素，它們是鋼軌材料的主要構成0，H等是有害元素，應該盡量減少；如V，Ti，RE等是合金元素，它們是為了提高鋼軌材料不同性能而添加的。

二、碳在鋼軌中的作用

鐵素體和滲碳體這兩個相組成了對組織的影響珠光體“隨鋼中的含碳量的增加，鋼中珠光體的含量是隨之增加的”如果含碳量處于0.77%水平時，整個組織全部為珠光體組織，它是軟韌的鐵素體基體上滲碳體以細片狀的形式分布，從而由滲使得鐵素體得到強化，這時的珠光體組織也就越細，強度也就越高，如果含碳量超過共析成分一定程度時，自碳體相就會在鋼的組織中產生，這會對鋼軌使用性能產生極為不利的影響。

三、硅在鋼軌中的作用

鋼中常見的另一種元素是硅″鋼中的51根據含量不同，可以分為以夾雜物形式殘存于鋼中的形態，或是在鋼中以合金元素的作用而存的形態。

（1）在鋼的Si作為雜質元素冶煉過程中存下來，是伴隨著脫氧劑硅鐵而進入鋼中或者由生鐵中殘留帶來，這時的硅以一種雜質元素形式而存在與鋼種，其含量于0.40%，因為硅與氧具有很強的親合力，所以將其作為脫氧劑，硅鐵在煉鋼時加入鋼中，形成5102氧化物，在鋼中以非金屬夾雜物的形式殘存，脆的特性，疲勞傷損的核心往往是其嚴重聚集的情況下產生的這種氧化物具有硬而鋼的質量也就必然受。

（2）作為合金元素的影響對組織的影響，一方面，鋼的共析轉變溫度會因為硅而提高，從而導致較高的溫度下進行，其他金屬元素在鋼中與硫化合而生成硫化物”在鋼錠生產的凝固過程中，較多的硫化物夾雜會在鋼液最后凝固的部分聚集，最終出現不均勻的鋼的宏觀組織在鋼液凝固時，一些硫化物溶點較低（如FeS）會沿晶界析出，會造成一些組織呈連續的或不完全連續的網狀：而一些硫化物的熔點較高（如MnSC），在鋼液凝固以前或凝固過程中就會在晶粒內部形成顆粒狀的夾雜物分布，或使得組織在晶界上呈現出不連續的網狀。

a.硫對鋼的強度而言影響不大，但硫化物夾雜的存在降低了鋼的塑性和韌性，特別是經軋制后，由于硫化物被沿某一個防線延伸，而使鋼產生了不同程度的方向性.橫向的塑性和韌性隨鍛軋比的增加而降低更多。

b.FeS具有比較低的熔點，容易導致連續的網狀組織在晶界上形成，因此過熱和過燒在鍛軋加熱時比較容易出現，這就會在鍛軋過程中在鋼的表面產生網狀裂縫，出現開裂而報廢的現象。

c.硫易于導致焊縫熱裂的同時，在焊接過程中，硫易于氧化而生成SO₂氣體逸出，導致氣孔和疏松在焊接金屬中出現，因此提高鋼的焊接性需要減少硫的存在。

d.有一些觀點認為，“/白點0的概率會因為硫的存在而產生減少，所以硫在軌鋼中的含量應當適當”為此，在歐洲鋼軌標準規定中：硫的下限為0.008%。

四、磷的作用

在煉鋼過程中，不能除盡的另一種元素是磷“這是一種有害的雜質元素必須加以限制”但是，在需要提高鋼的抗大氣腐蝕性能的情況下，提高其在鋼中的含量（特別是在含有Cu的情況下）會有比較好的效果，一般的規定是：磷在鋼軌中的含量應小于0.030%。

（一）對于鋼組織的影響

在鐵素體中，磷的溶解度可達2.55%（1049.C），溶解度隨著溫度的降低而減少，對于某些鋼容易造成磷偏析，均勻的組織是很困難得到的，要對其組織有所改善的話，只能采用長時間的擴散退火得辦法。

（二）對鋼性能的影響

a.在鐵素體當中磷會固溶，從而產生強化鐵素體，提高鋼的強度的效果，但塑性會由此降低的轉變，因此，當冷卻條件一般時，較細的珠光體組織不容易得到”另一方面，鋼的導熱性會由于硅變環，會產生嚴重的鋼的脫碳傾向，所以升溫速度在加熱時不宜太陜.硅還可能導致加熱過程中鐵素體的晶粒粗化。

b.硅對鋼機械性能的影響

首先，硅可以提高鋼的強度“硅是一種常見的強化元素，硅的含量高則鋼軌硬度就比較高，彈性極限屈強比！強度極限之比和疲勞強度也會因此而增高”這也是硅鋼和硅錳鋼被選擇用來制造彈簧鋼的主要原因所在，硅可以提高鋼的耐磨性能，這是磨擦發熱時的氧化作用可以由于硅的存在而減少和鋼的冷變形硬化率會因Si提高的關系“鋼的焊接性能會因硅而降低”主要是鐵與氧的親合力沒有Si強，因此低熔點的硅酸鹽在焊接時容易出現，溶渣和熔化金屬的流動性由此增加而引起較嚴重的噴濺現象，直接使焊縫的質量受到影響“高矽軌在國內也有過研究，硅含量在0.75%到1.15%之間，耐磨性能能最好，但其生產和焊接困難，現已基本停止生產和使用了”大量的gSOMPa級的微合金鋼軌目前在鐵路上已得到使用，如U75V（u75V），USNbRE（BNbRE），其中51含量水平為0.50—0.90%，均是作為合金元素加入，一方面提高強度改善耐磨性能，另一方面又能兼顧其焊接性能。