錳對貝氏體車輪鋼組織和力學(xué)性能的影響

祝家祺，譚諄禮，高 博，張 斌，張 弘，張明如，白秉哲，翁宇慶

（1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000）

磨損和疲勞剝落是車輪運(yùn)行過程中常見的失效形式。近年來隨著鐵路朝著高速、重載方向快速發(fā)展，車輪的磨損和疲勞剝落問題也更加嚴(yán)重［1］。當(dāng)前普遍使用的珠光體車輪強(qiáng)度已經(jīng)接近極限，很難滿足鐵路高速重載的后續(xù)需求［2］。因此，研究具有更高強(qiáng)度和更高韌性匹配的新型車輪鋼鐵材料成為目前研究的熱點(diǎn)。

無碳化物硅—錳系貝氏體鋼以其良好的強(qiáng)韌等綜合性能得到越來越多的關(guān)注［3］。國內(nèi)主要車輪生產(chǎn)企業(yè)馬鞍山鋼鐵股份有限公司和中國鐵道科學(xué)研究院已經(jīng)對硅—錳—鉬—釩系貝氏體車輪鋼開展了相關(guān)研究工作，結(jié)果表明貝氏體車輪在強(qiáng)度、硬度、韌性方面都明顯優(yōu)于現(xiàn)有珠光體車輪［4-6］。錳作為該系列貝氏體鋼的重要形成元素，可延緩?qiáng)W氏體的高溫相變，推遲高溫鐵素體形成，同時還能起到固溶強(qiáng)化、穩(wěn)定殘余奧氏體等作用［7］。諸多學(xué)者對錳在貝氏體相變過程中的影響進(jìn)行了研究。龍小燕等人［8］的研究表明，鋼中加入合金元素錳可以降低轉(zhuǎn)變溫度使貝氏體板條細(xì)化。劉世楷等人［9］認(rèn)為，錳在貝氏體形核時可對原奧氏體晶界起到拖曳作用，從而使等溫轉(zhuǎn)變（Temperature-Time-Transformation，TTT）曲線右移。胡寬輝等人［10］研究后發(fā)現(xiàn)，提高錳含量（下文含量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可以提高鋼的淬透性，減少高溫鐵素體的形成。但以上研究中所用鋼種的合金成分和熱處理工藝等與車輪用鋼存在一定差異。截至目前，錳對貝氏體車輪鋼轉(zhuǎn)變以及組織性能的影響還未進(jìn)行過系統(tǒng)研究。

本文基于JmatPro 軟件模擬，再進(jìn)行小爐冶煉試驗(yàn)，結(jié)合材料力學(xué)、韌性測試和電子顯微鏡觀察，就不同錳含量對貝氏體車輪鋼的物性參數(shù)和組織性能等的影響等問題進(jìn)行研究，分析錳對空冷貝氏體車輪鋼組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響，獲得可使貝氏體車輪鋼達(dá)到理想綜合力學(xué)性能的錳含量，并且通過實(shí)物貝氏體車輪對這一結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 CCT和TTT曲線模擬

采用JMatPro 軟件模擬碳、錳、硅主要合金元素含量的改變對試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（Continuous Cooling Transformation，CCT）曲線和貝氏體TTT曲線的影響。模擬試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 模擬試驗(yàn)鋼化學(xué)成分 %

模擬時，碳、硅、錳3 種元素在其各自含量范圍內(nèi)分別取5 組，改變某一種元素的含量時其余各元素均保持不變。對模擬得到的碳、硅、錳不同含量時試驗(yàn)鋼的CCT和TTT曲線進(jìn)行對比分析。

1.2 小爐冶煉貝氏體車輪鋼試驗(yàn)

以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，確定小爐冶煉試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表2。從表2可見，BM1—BM4 鋼的不同僅是錳含量逐漸從1.5%提高到2.2%，其余合金成分均一致。小爐冶煉試驗(yàn)鋼經(jīng)感應(yīng)熔煉后澆注成25 kg 鑄錠，隨后進(jìn)行鍛造，切割成小塊進(jìn)行去應(yīng)力退火。

表2 小爐冶煉試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

將退火后的4 組試樣在900 ℃奧氏體化40 min后空冷至室溫，再加熱至320 ℃進(jìn)行2 h 回火，以便進(jìn)行材料性能測試和電子顯微鏡觀察。力學(xué)性能測試采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行室溫拉伸測試，拉伸速度為1 mm·min-1，試樣為M12 標(biāo)準(zhǔn)拉伸式樣。韌性測試采用JBDS-300B 型沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行全尺寸U 型缺口沖擊韌性試驗(yàn)。硬度測試采用TH320 全洛氏硬度計，每個試樣測10 個點(diǎn)，取平均值。電子顯微鏡觀察采用蔡司EVO.18掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進(jìn)行顯微組織觀察。

根據(jù)材料性能測試和顯微鏡觀察結(jié)果，在退火后的4 組試樣中選取錳含量分別為1.7%和2.0%的BM2 和BM3 這2 組試樣，按照GB/T 225—2006《淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法》取樣，采用FBD-Ⅲ-2型端淬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行淬透性測試和對比。

1.3 實(shí)物貝氏體車輪試驗(yàn)

錳含量為2.0%的實(shí)物貝氏體車輪試樣采樣于中試試制車輪。實(shí)物車輪貝氏體車輪試樣與小爐冶煉試驗(yàn)鋼試樣采用相同的方法進(jìn)行拉伸和沖擊測試，依照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度K1C試驗(yàn)方法》進(jìn)行斷裂韌度的測試，并使用蔡司EVO.18 SEM 和FEI TECNAI G20，200 KV 透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）進(jìn)行微觀形貌觀察。實(shí)物貝氏體車輪的化學(xué)成分見表3。

表3 實(shí)物貝氏體車輪化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 錳含量對貝氏體轉(zhuǎn)變影響的模擬

碳、錳、硅是貝氏體車輪鋼中最重要的幾種組成元素之一。這3 種元素不同含量時對鋼種CCT曲線和TTT 曲線影響的模擬結(jié)果如圖1—圖3所示。

圖1 錳含量對貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的影響

圖2 碳含量對貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的影響

圖3 硅含量對貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的影響

由圖1可知：隨著錳含量的提高，CCT 曲線的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域右移明顯，臨界冷卻速度下降較快，可見錳對于提高鋼種的淬透性作用較大；隨著錳含量提高，TTT 曲線右移，同一溫度下的貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期變長，且延遲作用明顯，這樣將有助于形成更為細(xì)小的貝氏體組織。

由圖2和圖3可知，碳、硅含量的增加同樣會使CCT 曲線中貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)右移和TTT曲線中貝氏體孕育期延長，但是二者對曲線右移的影響程度都不及錳的作用大。可見錳對于貝氏體組織的轉(zhuǎn)變特征和材料相應(yīng)的最終性能有十分顯著的影響。

BM2 鋼和BM3 鋼的端淬試驗(yàn)硬度曲線如圖4所示。由圖4可知：2 種鋼在端面附近硬度相近，均為45 HRC 左右，但在試樣內(nèi)部，隨著距端面距離的增加冷速逐漸降低，BM2 鋼的硬度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，而錳含量更高的BM3 鋼硬度能夠保持在較高水平，表現(xiàn)出比BM2 鋼更高的淬透性；從距端面30 mm 位置開始，隨著離端面距離的加大，BM2鋼硬度都顯著低于BM3鋼；盡管BM3鋼的硬度在距端面80 mm 左右的位置也開始明顯下降，但在距端面95 mm 位置處的硬度仍高于BM2鋼。

圖4 不同錳含量貝氏體車輪鋼端淬試驗(yàn)結(jié)果

可見，錳在影響貝氏體轉(zhuǎn)變方面具有關(guān)鍵作用，主要體現(xiàn)在推遲貝氏體轉(zhuǎn)變，降低貝氏體形成溫度和提高鋼種淬透性幾個方面。尤其當(dāng)錳含量由1.7%提高至2.0%時，鋼種淬透性有跨越式提升。但是，不同錳含量下車輪鋼的組織類型和適合的貝氏體車輪鋼錳元素含量需結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行確定。

2.2 錳含量對貝氏體車輪鋼組織的影響

不同錳含量空冷貝氏體車輪鋼（奧氏體化空冷及后續(xù)回火處理）的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可見：4 種試驗(yàn)鋼都以貝氏體組織為主；BM1鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體（Granular Bainite，GB），并有少量的板條貝氏體（Lath Bainite，LB）存在，但同時還存在較多大塊的，長度為10～20 μm 的先共析鐵素體（Proeutectoid Ferrite，PF）；BM2 鋼顯微組織與BM1 鋼相似，同樣出現(xiàn)了先共析鐵素體，但相比BM1 鋼，其先共析鐵素體尺寸較小且板條貝氏體的比例有所增大；BM3 鋼和BM4 鋼則以板條貝氏體組織為主，未出現(xiàn)先共析鐵素體，但相對而言，BM4 鋼的粒狀貝氏體組織含量較少，且貝氏體板條尺寸更細(xì)小。

綜上所述，隨著錳含量提高，高溫轉(zhuǎn)變的鐵素體含量逐漸減少直至消失，從以在較高溫度區(qū)域形成的粒狀貝氏體為主的組織過渡到以在較低溫度區(qū)域形成的板條貝氏體為主的組織［11］。錳元素這種避免高溫鐵素體相變，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變，降低Bs點(diǎn)（貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）的效果可起到細(xì)化組織的作用［12］，有利于車輪鋼綜合性能的提高。當(dāng)貝氏體車輪鋼中錳含量低于1.7%時，在冷速較低的情況下發(fā)生了高溫轉(zhuǎn)變，說明鋼的淬透性有待提高。由于車輪屬于大厚件，車輪表面和芯部冷速差別巨大，淬透性不足不僅可能導(dǎo)致車輪芯部力學(xué)性能難以得到保證，同時可能使車輪不同位置的組織梯度較大。而當(dāng)錳含量在2.0%以上時能夠完全避免高溫鐵素體相的出現(xiàn)，且基體組織能得到均勻和細(xì)化的板條貝氏體組織。

2.3 錳含量對貝氏體車輪鋼力學(xué)性能的影響

小爐冶煉鋼的力學(xué)性能測試結(jié)果見表4。由表4可見：提高錳含量有助于小爐冶煉試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度的提高；錳含量為2.0%時抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 272 MPa，相比錳含量為1.7%時提高約7%，但二者的屈強(qiáng)比基本保持一致，均為0.78 左右；當(dāng)錳含量低于1.7%時，BM1 和BM2的平均沖擊功為87 J；而當(dāng)錳含量高于2.0%時，BM3和BM4鋼的平均沖擊功提升到120 J，在強(qiáng)度提升的同時，沖擊功提高近40%。

表4 小爐冶煉試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

BM2 鋼和BM3 鋼沖擊斷口的SEM 圖像如圖6所示。從圖6可見：BM2鋼基本為準(zhǔn)解理斷裂，存在少量的撕裂棱和韌窩，處于韌性斷裂與脆性斷裂的過渡階段；而BM3 鋼為微孔聚集型斷裂，斷口處有大量的韌窩，呈明顯韌性斷裂特征。

錳含量提高對強(qiáng)度和硬度的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在固溶強(qiáng)化和細(xì)化貝氏體板條帶來的組織強(qiáng)化作用。另外，組織中板條貝氏體比例的增大、粒狀貝氏體比例的降低也會使鋼的強(qiáng)度和硬度提高。但是，造成BM2 鋼和BM3 鋼強(qiáng)韌性匹配存在較大跨度的原因，主要在于BM2鋼中大塊先共析鐵素體的出現(xiàn)。軟相先共析鐵素體的出現(xiàn)會使材料的強(qiáng)度和硬度下降，大塊先共析鐵素體的存在則會加速裂紋的擴(kuò)展，這可能是導(dǎo)致貝氏體鋼沖擊韌性大幅降低的主要原因［13］。

錳含量低于1.7%，將導(dǎo)致貝氏體車輪鋼強(qiáng)度硬度和韌性匹配不足。而從輪軌匹配和輪軌維修更換的經(jīng)濟(jì)性角度考慮，車輪硬度越高，鋼軌的磨損量也越大［14］。故在貝氏體車輪鋼的化學(xué)成分中，錳含量為2.0%時較為理想，這樣既能保證車輪在較低冷速下不出現(xiàn)對性能有害的先共析鐵素體，同時又能使車輪與鋼軌具有良好的硬度匹配，以保證車輪的使用壽命和運(yùn)行安全。

圖6 沖擊斷口SEM圖像

2.4 實(shí)物貝氏體車輪的組織及性能

根據(jù)上述工作確定了較為理想的貝氏體車輪鋼成分，中試試制了錳含量為2.0%的實(shí)物貝氏體車輪。實(shí)物貝氏體車輪輪輞踏面附近和踏面下35 mm位置的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可見：車輪踏面附近為貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，鐵素體板條（Lath Ferrite，LF）間有亞微米級的膜狀殘余奧氏體（Retained Austenite，RA），這種薄膜狀的殘余奧氏體對提高材料的韌性具有顯著作用［7］；輪輞踏面下35 mm 位置為板條貝氏體+粒狀貝氏體組織，TEM 圖像中除了貝氏體鐵素體（Bainite Ferrite，BF）基體外，可以看到明顯的塊狀M/A島組織；在這2 個位置處的組織中均未發(fā)現(xiàn)大塊先共析鐵素體。

圖7 車輪不同位置顯微組織

實(shí)物貝氏體車輪輪輞踏面附近和踏面下35 mm位置處的力學(xué)性能與ER8 珠光體車輪的力學(xué)性能［15］對比見表5。由表5可見：車輪踏面附近的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 348 MPa、屈強(qiáng)比為0.84，輪輞芯部的抗拉強(qiáng)度也有1 141 MPa、屈強(qiáng)比為0.77，這2 個位置處的塑性和沖擊功都處于較高水平，尤其沖擊功分別達(dá)到了95 和105 J，表現(xiàn)出非常良好的強(qiáng)塑韌性匹配；在塑性水平基本持平的情況下，實(shí)物貝氏體車輪在抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和韌性方面都要遠(yuǎn)強(qiáng)于ER8 車輪鋼，尤其是實(shí)物貝氏體車輪鋼的屈服強(qiáng)度提高近1 倍，沖擊功提高3 倍以上，斷裂韌性也較ER8車輪高近43%。

圖8 車輪不同位置TEM圖像

表5 實(shí)物車輪輪輞的力學(xué)性能

總體而言，實(shí)物貝氏體車輪的力學(xué)性能和顯微組織與小爐鋼試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由此可見，當(dāng)錳含量為2.0%時，貝氏體車輪可得到理想的微觀組織，且力學(xué)性能相比現(xiàn)有ER8 珠光體車輪有明顯優(yōu)勢，具備一定的實(shí)際應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

（1）錳對推遲貝氏體轉(zhuǎn)變，細(xì)化組織和提高車輪鋼淬透性有顯著作用。錳含量低于2.0%時，貝氏體車輪鋼自高溫空冷過程中容易出現(xiàn)先共析鐵素體組織，將導(dǎo)致硬度和韌性的明顯下降。

（2）隨著錳含量提高，車輪鋼基體組織中板條貝氏體的比例增加，粒狀貝氏體比例降低，使得強(qiáng)度有所提高。

（3）貝氏體車輪鋼的錳含量為2.0%時可獲得較理想的顯微組織和綜合力學(xué)性能。

（4）采用2.0%Mn 含量的貝氏體實(shí)物車輪具有優(yōu)于現(xiàn)有ER8 珠光體車輪鋼的良好強(qiáng)韌性能和較理想的顯微組織。