復合微合金化貝氏體鋼軌組織性能研究

陳昕，金紀勇，王冬，賈宏斌

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；）

貝氏體鋼軌在鐵路轍叉及道岔尖軌上的應用已經取得了成功[1-2]，但隨著既有鐵路向高速重載方向發展，目前普遍采用的珠光體鋼軌一般經熱軋或在線熱處理后交貨，特別適合大批量工業性生產，但鋼軌耐滾動接觸疲勞性能不足的弱點逐漸顯現，需要通過定期打磨消除表面剝離掉塊等滾動接觸疲勞傷損。貝氏體鋼軌因具有耐磨及耐滾動接觸疲勞等特性為生產優異的鋼軌帶來希望。但是目前貝氏體鋼軌優異的性能是通過離線回火熱處理實現的，還不適合大批量工業性生產，因此需要摸索能夠提高在線生產的貝氏體鋼軌性能的技術途徑。國外開發了一些含微合金元素Ti或V的貝氏體鋼軌[3-5]，這些熱軋鋼軌的強韌性匹配仍顯不足，熱軋貝氏體鋼軌的強韌性還有待進一步提高。細化晶粒是提高鋼強韌性最有效的方式，由于Nb、V、Ti等微合金元素在鋼中析出的碳氮化物具有抑制奧氏體晶粒長大的作用，因此，為了進一步提升貝氏體鋼軌的強韌性，降低熱軋態貝氏體鋼軌疲勞裂紋擴展速率，開展了Nb、V、Ti復合微合金化對貝氏體鋼軌組織、性能影響研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用C-Si-Mn-Cr-Mo合金方案，為了進行對比分析，復合微合金化鋼軌與未微合金化鋼軌采用含1.5%Si含量，獲得相同的無碳化物貝氏體組織。對采用復合微合金化方式的試件進行化學成分設計，試驗研究鋼軌化學成分見表1。

表1 試驗研究鋼軌化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Steel Rails for Experimental Investigations （Mass Fraction） %

1.2 試驗方法

試驗的熱軋鋼軌采用普通鋼軌工藝流程生產，萬能法軋制60 kg/m鋼軌，軌型參照中國鐵道行業標準TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件。試驗鋼軌在箱式電爐中進行回火熱處理，復合微合金化鋼軌的回火溫度分別為350、400、450、500℃，未微合金化鋼軌的回火溫度分別為 300、350、400、450℃。采用透射電鏡對比分析兩種試驗鋼軌的組織形態，采用SUPRA55熱場發射掃描電子顯微鏡的電子背散射衍射EBSD方法分析組織形態，用步長為 0.4 μm，200×200 點陣（即測量面積為80 μm×80 μm）測量試樣。分析晶粒取向、晶粒尺寸，測定平均晶粒尺寸。取樣進行性能檢測，對檢測試樣進行拉伸、沖擊、硬度、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率等分析，檢測方法參照中國鐵道行業標準TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件進行。

2 實驗結果

2.1 鋼軌組織

兩種貝氏體鋼軌微觀組織見圖1。

圖1 兩種貝氏體鋼軌微觀組織Fig.1 Microstructures of Two Kinds of Bainite Steel Rails

從圖1可以看出，兩種鋼軌組織主要由板條貝氏鐵素體、M-A島、塊狀鐵素體及少量的殘余奧氏體組成，隨機選擇了20個視場對其中的板條貝氏體鐵素體所占的比例進行了估算：板條貝氏體鐵素體約占30%，差別不大。由于本試驗鋼種含硅，因此鋼的晶粒度很難測定，于是采用EBSD的方法對貝氏體組織的晶粒取向、晶粒尺寸等進行了分析，重點分析了組織的平均晶粒尺寸。兩種貝氏體鋼軌晶粒尺寸分布及晶粒取向分別如圖2、圖3所示。

圖2 兩種貝氏體鋼軌晶粒尺寸分布Fig.2 Distribution of Grain Sizes of Two Kinds of Bainite Steel Rails

圖3 兩種貝氏體鋼軌晶粒取向Fig.3 Grain Orientation for Two Kinds of Bainite Steel Rails

結合圖2、3可以看出，復合微合金化以后鋼軌的組織得到細化，微合金化貝氏體鋼軌的晶粒平均尺寸是1.95 μm，未微合金化貝氏體鋼軌的晶粒尺寸為2.22 μm，降低約12%，說明微合金化確實使晶粒尺寸變小；微合金化鋼的大角度晶界 （55°以上）占50%左右，未微合金化鋼的大角度晶界（55°以上）約占40%，可見微合金化使大角度晶界所占比例上升，即小角度晶界所占比例下降。綜上，可以看出板條貝氏體鐵素體所占比例沒有明顯變化，微合金化后M-A島及塊狀鐵素體得到細化。

2.2 拉伸、沖擊及硬度檢驗結果

參照中國鐵道行業標準 （TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件）進行鋼軌拉伸、沖擊、硬度等性能檢驗，試驗試樣取樣位置見圖4，硬度檢測面為軌頂面。

圖4 試樣取樣位置（mm）Fig.4 Sampling Positions for Tensile Samples

兩種貝氏體鋼軌不同狀態性能對比見表2。由表2可以看出，兩種鋼軌塑性基本相當，微合金化以后，鋼軌的強度、硬度、沖擊韌性均有所提高。兩種鋼軌經過回火處理以后，隨著回火溫度的變化，性能改善的程度有所不同，微合金化貝氏體鋼軌的抗回火穩定性要更強一些，最佳的回火溫度是350～400℃，而未微合金化的最佳回火溫度是300～350℃；在最佳回火溫度區間鋼軌經回火處理后，微合金化貝氏體鋼軌的抗拉強度達到1 370 MPa以上，沖擊吸收能量達到90 J以上，與熱軋態鋼軌相比，微合金化鋼軌沖擊韌性提高的幅度接近50%，而未微合金化鋼軌提高的幅度僅為10%左右。

表2 兩種貝氏體鋼軌不同狀態性能對比Table 2 Comparison of Properties of Two Kinds of Bainite Steel Rails in Different States

本試驗采用了復合微合金化的方法，是因為對于熱軋產品形成多元微合金碳氮化物比形成純的單元微合金碳氮化物更有利于發揮其阻止奧氏體晶粒長大的作用[6-8]，軋制過程中，由于 Ti、Nb、V的析出溫度依次降低，微合金碳氮化物連續析出，能夠在一定程度上起到抑制晶界遷移長大的作用。對于未微合金化貝氏體鋼軌，熱軋狀態下，無碳化物貝氏體鋼中殘余奧氏體的穩定性較差，因此塑性偏低，經過回火處理以后，殘余奧氏體的穩定性明顯提高，塑韌性均明顯改善[9-10]。鋼軌經復合微合金化以后，組織、性能發生了明顯的變化。

由于上述組織形態的變化，熱軋態及回火態的微合金化鋼軌的屈服強度、抗拉強度及軌頂面硬度較未微合金化鋼軌提高，軌頂面平均硬度達到400 HBW以上；其次鋼的耐回火穩定性提高：未微合金化鋼軌強韌性匹配最好的溫度是350℃，微合金化后，強韌性匹配最好的溫度是400℃。

2.3 斷裂力學性能

為保證在鐵路線路的安全運營，TB/T 2344-2012標準對珠光體組織鋼軌的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率的力學性能提出了要求，制定了相應的指標，并在長期應用實踐中驗證了其可靠性。貝氏體鋼軌和珠光體鋼軌的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率對比情況見表3。由表3可見，回火后的貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌對比，斷裂韌性提升顯著，疲勞裂紋擴展速率相當，微合金化與未微合金化鋼軌相比較，雖然疲勞裂紋擴展速率都能夠滿足鋼軌供貨標準的要求，但微合金化鋼軌更低，熱軋態基本能夠達到未微合金化回火處理鋼軌的水平，同時斷裂韌性變化的趨勢與裂紋擴展速率一致，熱軋態基本能夠達到未微合金化回火處理鋼軌的水平。

表3 貝氏體鋼軌的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率Table 3 Fracture Toughness and Fatigue Crack Growth Rate of Bainite Steel Rails

熱軋態微合金化鋼軌的沖擊韌性已經明顯高于未微合金化鋼軌，350℃回火處理態相對于熱軋態，微合金化鋼軌的沖擊韌性提高30%左右，沖擊吸收能量達到90 J以上，未微合金化鋼軌未見明顯提高。微合金化貝氏體鋼軌斷裂韌性及疲勞裂紋擴展速率均有所改善，斷裂韌性提高，疲勞裂紋擴展速率較低，熱軋態基本能夠達到未微合金化回火處理鋼軌的裂紋擴展水平。

3 結論

（1）貝氏體鋼軌復合微合金化后，鋼的組織主要是M-A島和塊狀鐵素體；相對未微合金化鋼軌，微合金化使鋼軌的組織得到細化，平均晶粒尺寸減少至1.95 μm，55°以上的大角度晶界比例提升至50%左右；微合金化鋼軌的晶粒尺寸減小及小角度晶界比例降低均有利于韌塑性的提高。

（2）鋼軌經復合微合金化，性能發生了明顯的變化：熱軋態及回火態的微合金化鋼軌的屈服強度、抗拉強度及軌頂面硬度較未微合金化鋼軌提高，屈服強度達到1 200 MPa以上，抗拉強度達到1 350 MPa以上，軌頂面平均硬度達到400 HBW以上；微合金化后鋼的抗回火穩定性提高，強韌性匹配最好的溫度提高至400℃。

（3）復合微合金化貝氏體鋼軌斷裂韌性及疲勞裂紋擴展速率均有所改善，熱軋態和回火態斷裂韌性分別達到 55.0 MPa·m1/2和 72.6 MPa·m1/2，熱軋態微合金化貝氏體鋼軌基本能夠達到未微合金化回火處理鋼軌的裂紋擴展速率水平。