U76CrRE重軌鋼熱處理工藝優(yōu)化及力學性能分析

王業(yè)雙， 劉馨宇， 蘇 航， 段亞楠， 岑耀東， 陳 林

(1. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院(稀土學院)， 內蒙古 包頭 014010；2. 內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 包鋼技術中心， 內蒙古 包頭 014010)

近年來，隨著列車提速、重載以及鐵路運輸年運量的大幅度提高，鋼軌的服役環(huán)境更加復雜，這對鋼軌的力學性能提出了更高的要求。由于磨損造成的鋼軌失效是瞬間發(fā)生的，很難被提前發(fā)現(xiàn)，會對鐵路運輸安全產生極大隱患[1-2]。強度和硬度不足是造成鋼軌在服役過程中失效的主要原因之一。趙桂英等[3]在U75V鋼軌的基礎上以Cr、RE等作為合金元素研發(fā)出了新一代高強稀土鋼軌U76CrRE。張智等[4-5]利用噴風噴霧的降溫方式進行在線余熱淬火，提升了U76CrRE鋼軌軌頭的強度和硬度，并且研究出了噴風是鋼軌熱處理過程中降溫的最好方式。陳琳等[6]繪制了U76CrRE鋼的CCT和TTT曲線，并且研究了U76CrRE鋼軌的在線熱處理工藝。薛虎東等[7]探究了相變溫度對U76CrRE重軌鋼組織和性能的影響。王立新等[8]探究了冷卻速度對U76CrRE重軌鋼組織和性能的影響。曹曉明等[9]探究了U76CrRE重軌鋼在不同環(huán)境下的生命周期。文獻[4-8]也探究了U76CrRE重軌鋼的熱處理工藝。但是，目前已有的文獻大多為連續(xù)冷卻淬火工藝，由于連續(xù)冷卻較低的冷速不易獲得優(yōu)異的組織和力學性能，而較高的冷速又容易產生馬氏體等異常組織。因此，利用等溫手段代替連續(xù)冷卻的相變過程能夠獲得更好的組織和性能。為了探究熱處理工藝對U76CrRE重軌鋼組織和力學性能的影響，本文優(yōu)化了等溫溫度以及等溫時間，以期對通過熱處理改善U76CrRE重軌鋼性能的研究提供參考。

1 試驗材料與方法

本文以某軌梁廠研制的第二代稀土鋼軌U76CrRE(軋態(tài)(1號)和在線熱處理態(tài)(2號))為試驗材料，成分如表1所示，RE加入量為0.01%～0.02%。U76CrRE重軌鋼軋制后余熱為900 ℃，在線自然冷卻至室溫獲得軋態(tài)組織，而在線熱處理工藝則是在軋態(tài)的基礎上提升軋后冷卻速度，使軋后冷速大于自然冷卻，但小于8 ℃/s。在實驗室條件下對軋態(tài)U76CrRE鋼取樣進行等溫處理試驗，參照文獻[6]的TTT曲線制定等溫熱處理工藝，如表2所示。將軋態(tài)試樣加熱到900 ℃保溫20 min，隨后以相變前最佳冷卻速度(8 ℃/s)[10-12]進行冷卻，冷卻至540 ℃、560 ℃，等溫時間為30和45 s，之后以8 ℃/s冷卻至室溫。采用FLIR T610紅外測溫儀對熱處理過程中的溫度變化進行采集。采用蔡司光學顯微鏡和QUANTA-400場發(fā)射掃描電鏡對試樣組織進行觀察，通過Camera Mesure測量珠光體片層間距。利用布氏硬度計測量試樣硬度。采用懸臂擺錘沖擊試驗機和GNT200萬能試驗機進行沖擊和拉伸試驗，沖擊和拉伸試樣均從軌頭取樣，試樣尺寸如圖1所示。分析等溫溫度和等溫時間對試樣抗拉強度、沖擊吸收能量以及硬度的影響。

圖1 拉伸(a)及沖擊(b)試樣尺寸Fig.1 Dimensions of the tensile(a) and impact(b) specimens

表1 U76CrRE重軌鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 熱處理工藝

2 結果分析與討論

2.1 微觀組織

圖2、3是不同熱處理狀態(tài)下U76CrRE重軌鋼的顯微組織和掃描電鏡照片，可以看出不同熱處理狀態(tài)下U76CrRE重軌鋼的組織細化程度不同。1號軋態(tài)試樣的晶粒最大，2號在線熱處理態(tài)組織相對較小。由圖2、圖3和表3可以看出，試樣3、4、5、6的晶粒尺寸和珠光體片層間距均小于試樣1、2。相較于軋態(tài)和在線熱處理態(tài)，8 ℃/s冷速的等溫處理能夠獲得更加細小的晶粒和珠光體片層，因此，隨著冷卻速度的增加，U76CrRE重軌鋼的晶粒尺寸和珠光體片層間距越來越小。其中試樣3的晶粒尺寸和珠光體片層間距小于試樣4，試樣5的晶粒尺寸和珠光體片層間距小于試樣6，可以看出等溫30 s所得到的組織晶粒尺寸和珠光體片層間距要小于45 s時的組織，30 s的等溫時間過冷奧氏體已經(jīng)全部轉變?yōu)橹楣怏w，繼續(xù)延長等溫時間至45 s，珠光體片層進一步長大，會使U76CrRE重軌鋼的微觀組織粗大。因此，在相同的等溫溫度下，等溫時間越短，獲得的組織越細小。試樣3、4的珠光體片層間距均小于試樣5、6，但是晶粒尺寸相差不大，說明在相同的相變前冷速和等溫時間下，等溫溫度越低，珠光體片層間距越小。經(jīng)過等溫處理后的試樣3、試樣4和試樣5晶粒尺寸更小、珠光體片層更細，抵抗外力產生變形、斷裂的能力提高，同時也會具有更好的塑性[13-14]。綜上，8 ℃/s 相變前冷速的等溫處理能夠顯著細化U76CrRE重軌鋼的珠光體組織，540 ℃等溫溫度下，等溫時間為30 s時組織最細小，珠光體片層間距為63.6 μm。

圖2 不同工藝等溫處理U76CrRE重軌鋼試樣的顯微組織(a)軋態(tài);(b)在線熱處理態(tài);(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.2 Microstructure of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated;(c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

圖3 不同工藝等溫處理U76CrRE重軌鋼試樣的珠光體片層形貌(a)軋態(tài);(b)在線熱處理態(tài);(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.3 Morphologies of pearlite lamellae of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated;(c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

2.2 力學性能

高強度、高硬度材料會獲得更好的耐磨性。表4為不同熱處理狀態(tài)下U76CrRE重軌鋼的力學性能。如表4所示，1號軋態(tài)試樣的抗拉強度和硬度最低，分別為1119 MPa、310 HBS。經(jīng)過等溫處理后，U76CrRE重軌鋼的抗拉強度得到了顯著的提升，其中試樣3、試樣4和試樣5的抗拉強度處于1370～1380 MPa，同時具有極高的硬度390～410 HBS。在線熱處理工藝也提升了U76CrRE重軌鋼的抗拉強度和硬度，但是其強度和硬度值均小于等溫30 s的試樣。說明隨著相變前冷卻速度的提升，抗拉強度和硬度不斷增大(僅與等溫30 s的試樣相比，消除等溫時間的影響)；試樣3和試樣4的抗拉強度均為1380 MPa，硬度分別為410和400 HBS，抗拉強度和硬度均大于試樣5和試樣6。由此可知，在相同的相變前冷速下，等溫溫度越低，試樣的抗拉強度和硬度越大；試樣5和試樣6在同一等溫溫度(560 ℃)下發(fā)生相變，但是試樣6等溫時間更長，使已經(jīng)完全轉變的珠光體組織繼續(xù)長大，使晶粒尺寸和片層間距增加，降低了位錯滑移和裂紋擴展過程所需要的能量[15]，所以試樣6的抗拉強度和硬度較低。試樣3和試樣4也在同一等溫溫度(540 ℃)下發(fā)生相變，試樣4的相變時間更長。但是二者抗拉強度相同，而且硬度也相差不大，所以在540 ℃的相變溫度下，30、45 s的相變時間對抗拉強度和硬度的影響不大。

表3 不同熱處理工藝下U76CrRE重軌鋼試樣的珠光體片層間距

表4 不同熱處理狀態(tài)U76CrRE重軌鋼試樣的力學性能

重軌鋼除了要具備高強度和高硬度以外，韌性也是一個重要的指標，高韌性能在一定程度上可避免重軌鋼在服役過程中發(fā)生脆性斷裂。由表4和圖4可知，熱處理后U76CrRE鋼試樣的斷后伸長率和斷面收縮率均高于軋態(tài)試樣。其中試樣5的斷后伸長率為9.33%，斷面收縮率為41.32%，略低于在線熱處理態(tài)，相比于軋態(tài)試樣分別提升了16%和35%。同時，熱處理后U76CrRE重軌鋼試樣的沖擊性能也得到了顯著的提升。其中試樣2和試樣5提升效果顯著，沖擊吸收能量可達到4.4 J。綜上所述，在線熱處理和560 ℃×30 s等溫處理都可以大幅提升U76CrRE重軌鋼的塑性和韌性。

圖4 不同工藝等溫處理U76CrRE重軌鋼試樣的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes

2.3 斷口分析

圖5和圖6是不同熱處理工藝下U76CrRE重軌鋼拉伸斷口和沖擊斷口形貌。由圖5可知，試樣1和試樣3斷口出現(xiàn)了許多面積較大的解理面，同時伴隨有河流花樣；斷口比較平整，可以清晰地觀察到裂紋的擴展穿過了晶粒，二者均發(fā)生了穿晶斷裂，整體表現(xiàn)為脆性斷口[16-17]。試樣6也存在部分解理面，但是每個解理面的面積相對較小，同時斷口也出現(xiàn)了大量的韌窩，既有韌性斷裂又有脆性斷裂；其斷口起伏較大，斷裂時裂紋沿著晶界擴展，發(fā)生了沿晶斷裂。試樣2、試樣4和試樣5斷口遍布著大大小小的韌窩，韌窩附近伴隨有撕裂棱；同時三者斷口均有較大的起伏，發(fā)生沿晶斷裂，在斷裂之前會發(fā)生較大程度的塑性變形，整體表現(xiàn)為韌性斷裂。所以試樣2、試樣4和試樣5的塑性較好。

圖5 不同工藝等溫處理U76CrRE重軌鋼拉伸試樣的斷口形貌(a)軋態(tài);(b)在線熱處理態(tài);(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.5 Fracture morphologies of tensile specimens of the U76CrRE heavy rail steel under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated; (c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

圖6 不同工藝等溫處理U76CrRE重軌鋼沖擊試樣的斷口形貌(a)軋態(tài);(b)在線熱處理態(tài);(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.6 Fracture morphologies of impact specimens of the U76CrRE heavy rail steel under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated; (c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

由圖6可以看出，試樣1、試樣3和試樣6的沖擊斷口較為平整，伴隨著扇形的解理面和河流花樣，屬于脆性斷裂。試樣2、試樣4和試樣5的沖擊斷口雖然存在解理面，但是其中還夾雜著部分韌窩和撕裂棱，并且斷口中均出現(xiàn)了二次裂紋。韌窩和二次裂紋的產生均需要消耗主裂紋擴展過程中的部分能量，所以3個試樣的沖擊吸收能量較大[18]，斷口由脆性斷裂向韌性斷裂過渡。

3 結論

1) 等溫處理能夠細化U76CrRE重軌鋼的顯微組織，隨著相變前冷卻速度的增加、等溫溫度的降低、等溫時間的縮短，U76CrRE重軌鋼的晶粒和珠光體片層間距變小。

2) 通過優(yōu)化等溫處理工藝(等溫30 s)，相對于軋態(tài)試樣，等溫處理后U76CrRE重軌鋼的強度、硬度及沖擊吸收能量都得到了顯著提升。隨著等溫溫度的降低，U76CrRE重軌鋼的抗拉強度變大。540 ℃×30 s、540 ℃×45 s兩種等溫處理工藝下U76CrRE重軌鋼的強度、硬度最高，抗拉強度為1380 MPa，硬度分別為400、410 HBS。560 ℃×30 s和在線熱處理兩種工藝對U76CrRE重軌鋼的韌性提升較大，二者沖擊吸收能量均為4.4 J，拉伸斷口均表現(xiàn)為韌性斷裂，沖擊斷口也由脆性斷裂向韌性斷裂過渡。

3) 等溫溫度560 ℃，等溫時間30 s下U76CrRE重軌鋼的綜合力學性能最優(yōu)異，抗拉強度為1370 MPa，硬度為390 HBS，斷后伸長率為9.33%，斷面收縮率為41.32%。560 ℃×30 s等溫處理是U76CrRE重軌鋼的最優(yōu)熱處理工藝。