车轮钢的化学成分、微观组织对车轮钢力学性能的影响.pdf

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1、第332012年竿11膂月C中HIN国ARAILWAYSC科IENC学ENovemV0b1e．r33，2N0o1．26文章编号：loOl-4632(2o12)06—0044—07车轮钢的化学成分、微观组织对车轮钢力学性能的影响史建平，刘忠侠，肖乾L。(1．中国铁道科学研究院，北京100081；2．郑州大学材料物理教育部重点实验室，河南郑州4500523．华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013)摘要：对国内外5种车轮钢的微观组织、准静态力学性能和疲劳性能进行测试，分析车轮钢的化学成分和微观组织对其准静态力学性能和疲劳性能的影响。结果表明：提高Mn与C元素含量之比

2、以及Ni，cr和Mo元素总含量，均能明显增加珠光体的弥散度，减小珠光体层片间距；细化奥氏体晶粒尺寸和增加珠光体弥散度，车轮钢的强度、塑性和韧性均有所改善；提高Mn与C元素含量之比有利于改善车轮钢的韧性特别是冲击韧度；车轮钢的疲劳裂纹萌生寿命随着奥氏体晶粒尺寸和珠光体团尺寸的细化而增加；车轮钢试样的化学成分和显微组织对疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹门槛值的影响很小。关键词：车轮钢；化学成分；微观组织；准静态力学性能；疲劳性能中图分类号：U260．331．1：U270．41文献标识码：Adoi：10．3969／}．issn．1001—4632．2012．06．08车轮是影响列车运行安全的关键部

3、件之一。大强度、塑性、断裂韧度、耐磨性及热裂阻力L2]。此部分车轮是用质量百分比为0．45～0．80(碳)外，国外正在研究含硅无碳化物贝氏体钢在铁路上的中高碳钢制造的，其显微组织以珠光体组织为的应用[3_。然而，车轮在服役中的失效和断裂仍主。为适应铁路客车高速化发展的需要，1990年时有发生，如何从材料的成分设计、冶炼技术、处马钢参照前苏联标准研制了含钒微合金化车轮用理工艺着手，使车轮获得良好的服役性能，一直是钢，该钢种各项性能指标都优于国内普遍应用的国内外探讨的重要课题。本文选用国内外5种典型CL60钢。随后的1年内，马钢与西安交通大学联车轮钢，研究其化学成分和微观组织对静态力学性合

4、研制了微合金化车轮用钢以用于时速200km的能和疲劳陛能的影响。列车。该钢种降低了碳含量，提高了合金元素的含量，并用V元素进行微合金化，使得新钢种的强1试验材料和试验方法度和硬度较高，同时其他各项性能指标均得到改善L1]。近年来，随着我国高速铁路的快速发展，对表1为国内外5种典型车轮钢化学成分的质量车轮钢提出了更高的要求。采用合理的热处理工艺百分比，图1为车轮钢测试试样的采样部位示意控制车轮踏面金相组织的弥散度，采用Si，Mn，图。车轮钢的组织参数分别利用光学显微镜和Hi—Cr，Mo等元素进行合金化处理可有效提高车轮的tachiS-2700型扫描电镜，在合适的放大倍数下采表1国内外5种

5、典型车轮钢的化学成分质量百分比收稿日期；2Oll～11一lO；修订日期：2012—03—15作者简介：史建平(1964一)，男，江苏溧阳人，副研究员，博士。46中国铁道科学第33卷2·01·8誉1．61．41．20．520．54O．56O．58O．600．620．64O．660．68O．520．54O．560．58O．60O．620．640．660．68C含量／％C含lJ％(a)0(b)国图3C含量、口和ct，对车轮钢珠光体层片间距(单位m)的影响珠光体转变温度，因此阻碍先共析铁素体的析出和降低；细化奥氏体晶粒尺寸，增加珠光体弥散度、珠光体的转变。Cr和Mo均是碳化物的形成元素。减少珠

6、光体层片间距，车轮钢的拉伸强度和伸长率在珠光体形成过程中存在着合金元素在铁素体与渗均有所改善。和组织参数对车轮钢的断裂韧度和碳体交界面及在铁素体与渗碳体之间的扩散和重新冲击韧度的影响如图5所示。由图5可知：细化奥分布，渗碳体的化学成分可以在很宽范围内变化，氏体晶粒尺寸或增大，能改善车轮钢断裂韧性。并能与其他元素形成合金渗碳体。虽然不改变渗碳珠光体的机械性能决定车轮钢的机械性能。研体的晶体结构，但由于合金元素具有很低的扩散系究表明，珠光体的强度取决于珠光体层片间距和体数，从而能降低碳在奥氏体中的扩散系数，因此推积分数，而珠光体的塑性和韧性主要取决于奥氏体迟渗碳体的形成和奥氏体均匀化，这将

7、显著增加珠晶粒尺寸[6In]。在受到外力拉伸时，珠光体屈服强光体向奥氏体转变的温度，推迟奥氏体向珠光体的度主要取决于层片间距，并服从Hall-Petch关系。转变，从而使珠光体层片间距减少。裂纹的萌生和扩展取决于微裂纹的聚集和长大能2．2车轮钢的准静态力学性能力，珠光体在变形过程中，其中的渗碳体具有极低车轮钢C含量及组织参数对车轮钢拉伸强度、的脆断阻力，在外力或裂纹尖端应力场的作用下发伸长率的影响如图4所示。由图4可知：增加C含生切变而断裂，使