貝氏體鋼軌超高周疲勞行為的研究

1、Mn系貝氏體鋼的最新進(jìn)展 Development of New Type Mn-Series Bainitic Steels in China,高古輝 安佰鋒 譚諄禮 桂曉露 白秉哲 翁宇慶北京交通大學(xué)第十一次全國(guó)熱處理大會(huì)2015.7.18,團(tuán)隊(duì)介紹,軌道交通高性能金屬材料 主要包括新型貝氏體鋼的成分及組織設(shè)計(jì)，相變機(jī)理，強(qiáng)韌化機(jī)制， “成分-工藝-組織-性能”關(guān)系的數(shù)學(xué)及物理模擬；貝氏體鋼軌、車輪

2、、車軸等軌道交通用高性能金屬材料及新工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用。 貝氏體鋼 組織及性能調(diào)控 研究貝氏體鋼新型熱處理工藝的精細(xì)化，結(jié)合Thermal-Calc、有限元模擬、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模，實(shí)現(xiàn)復(fù)相組織調(diào)控的精細(xì)控制，完成超大尺寸及復(fù)雜零部件的成分-組織-性能均勻化處理。 基礎(chǔ)零部件的服役與失效分析 研究汽車、交通、能源、機(jī)械等領(lǐng)域基礎(chǔ)零部件（如彈簧、螺栓、軸、緊固件等）的服役性能，特別是疲勞性能、延遲斷裂

3、、腐蝕、磨損等性能，對(duì)典型零部件的失效機(jī)理進(jìn)行分析。,貝氏體鋼的由來(lái),20世紀(jì)20年代，Robertson首先發(fā)現(xiàn)鋼的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，隨后Bain等人對(duì)這種組織進(jìn)行了大量細(xì)致的研究，直到1934年“貝氏體”術(shù)語(yǔ)的提出。貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍界于珠光體與馬氏體之間，相應(yīng)地貝氏體組織兼?zhèn)淞烁邷剞D(zhuǎn)變產(chǎn)物的塑韌性和低溫轉(zhuǎn)變的強(qiáng)度，具有良好的強(qiáng)韌性配合，從而引起人們的極大關(guān)注。20世紀(jì)50年代末期，英國(guó)的Irvine和 Pickering等人率先

4、發(fā)明了Mo-B系貝氏體鋼。20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)方鴻生等人發(fā)明了Mn系貝氏體鋼。這是目前世界上兩大系列貝氏體鋼。,Mn系貝氏體鋼的發(fā)展歷程,1970s-2000s：空冷貝氏體鋼，采用Mn-B為主要合金元素，提高貝氏體淬透性，熱處理工藝簡(jiǎn)單。2000s：水淬貝氏體鋼，采用Mn-Si-Cr的合金體系，減少合金添加，節(jié)約成本，提高焊接性能，并適用于大尺寸構(gòu)件。2010s：貝氏體鋼的新發(fā)展，結(jié)合BQ&P和TMCP等新型熱處理工

5、藝，實(shí)現(xiàn)貝氏體鋼綜合性能的改善。,Mn系空冷貝氏體鋼,,●Rα ○Rγ ⊙ Rα/γ,常見的TTT曲線,Mn元素富集因子與相應(yīng)的TTT曲線,Mn系空冷貝氏體鋼的發(fā)展,經(jīng)過40余年的發(fā)展，Mn系空冷貝氏體鋼發(fā)展了以下系列：低碳粒狀貝氏體鋼低碳仿晶界鐵素體/粒狀貝氏體復(fù)相鋼無(wú)碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼中碳及中高碳貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼貝氏體耐磨鑄鋼,Mn系空冷貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì),高的貝氏體淬透性，有利于在

6、大尺寸構(gòu)件中獲得足夠含量的貝氏體組織；合金設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主要以Mn、Si、Cr為主要合金元素，合金成本低；發(fā)展了從超低碳到中高碳的Mn系空冷貝氏體鋼系列，擴(kuò)大了貝氏體鋼在機(jī)械工程材料的應(yīng)用領(lǐng)域。,第二代Mn系貝氏體鋼,為了進(jìn)一步降低合金成本，同時(shí)響應(yīng)我國(guó)的大型設(shè)備構(gòu)件國(guó)產(chǎn)化的需求，21世紀(jì)初，白秉哲、方鴻生等人在Mn系空冷貝氏體鋼的基礎(chǔ)上，通過合理的合金設(shè)計(jì)，研制成功了第二代Mn系貝氏體鋼——淬火貝氏體鋼。通過合理的合金設(shè)計(jì)，利用Mn對(duì)

7、貝氏體形成的有利作用，可以在很大的冷速范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。,水淬貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì),減少合金添加，節(jié)約成本，提高焊接性能；適用于大尺寸構(gòu)件，在達(dá)到相同強(qiáng)度水平下，圓柱體水淬硬化尺寸約為空冷的6-7倍以上；主要研究低碳區(qū)（0.04-0.25wt.%），可獲得強(qiáng)度級(jí)別在800-2000MPa級(jí)別的低合金高強(qiáng)度鋼。,圖示水淬FZB6及水淬27SiMn在φ300mm圓柱截面上的硬度分布,Mn系貝氏體鋼的新發(fā)展,隨著我國(guó)冶金設(shè)備的發(fā)展，以TMC

8、P為代表的控冷工藝逐漸可以得到實(shí)現(xiàn)；同時(shí)采用納米貝氏體、Q&P等新型熱處理工藝，促進(jìn)Mn系貝氏體鋼的進(jìn)一步發(fā)展。,,通過BQ&P處理，獲得了具有貝氏體/馬氏體/殘余奧氏體的復(fù)相組織，殘余奧氏體呈現(xiàn)亞微米級(jí)和納米級(jí)，具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有利于改善塑性和韌性。,0.4C-MnSiCr,,Acta Materialia 76 (2014) 425–433,,0.2C-MnSiCrMoV,良好的強(qiáng)韌性匹配：抗拉強(qiáng)度

9、：>1400MPa沖擊韌性：Akv：>100J,對(duì)新型高強(qiáng)韌1500MPa級(jí)別貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼具有良好的超高周疲勞性能，疲勞壽命周次達(dá)到10E9，疲勞壽命在750MPa以上。,隨著我國(guó)高速列車的快速發(fā)展，對(duì)鋼軌、車輪、車軸等列車部件的疲勞壽命要求通常要達(dá)到10E8周次以上，有的甚至到10E11周次。,新型高強(qiáng)韌貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì),例如將BQ&P工藝引入Mn系貝氏體鋼，其優(yōu)勢(shì)在于（1）克服了傳統(tǒng)Q&P工藝快

10、速淬火及短時(shí)間配分等缺點(diǎn)，采用空冷+長(zhǎng)時(shí)間配分。（2）保證高強(qiáng)度的同時(shí)，可以獲得良好的塑性和韌性。,Mn系貝氏體鋼的應(yīng)用,Mn系貝氏體鋼在鐵路上的應(yīng)用,傳統(tǒng)珠光體輪軌材料不足 ■ 強(qiáng)度、耐磨性已近珠光體鋼極限 ■ 高強(qiáng)度高耐磨難以兼顧高塑韌性 ■難以滿足高速重載長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求,貝氏體組織潛在優(yōu)點(diǎn)■ 強(qiáng)度和耐磨性提高潛力大（達(dá)2000MPa） ■ 沖擊韌性ak和斷裂韌性KIC明顯提高 ■ 焊接性、冷加工性優(yōu)良

11、 (C%:珠光體鋼0.5-0.6 貝氏體鋼 0.1-0.3)■ 低溫性能（-40℃/-60℃）提高明顯,Mn系貝氏體鋼在鐵路上的應(yīng)用,Mn系貝氏體鋼在礦山機(jī)械上的應(yīng)用,**系列混凝土泵車貝鋼管件：工作壓力13MPa; 極限壓力：25MPa,管件壁厚：6-20mm,使用壽命：比高錳鋼長(zhǎng)2倍以上，至今供貨５０００余噸，３０萬(wàn)件以上.,***系列強(qiáng)負(fù)載混凝土攪拌葉片HRC>51; Ak>60J，已供貨千余噸，１０萬(wàn)件

12、以上,Mn系貝氏體鋼在礦山機(jī)械上的應(yīng)用,開發(fā)高強(qiáng)韌貝氏體重型釬桿，代替18CrNi4Mo。實(shí)物的抗拉強(qiáng)度1400MPa級(jí)別，V型沖擊達(dá)到80J以上。,貝氏體塑料模具鋼,塑料模具鋼在太原鋼鐵公司工業(yè)生產(chǎn)，20—250mm厚模具鋼板軋后空冷自硬，硬度達(dá)到30HRC，板各部分硬度差在3HRC之內(nèi)，強(qiáng)韌性優(yōu)異，成本低廉，不包括節(jié)約熱處理費(fèi)用，僅在合金成分上與P20比較降低約800元/噸，比718鋼降約2800元/噸。,貝氏體超高強(qiáng)建筑鋼筋,與冶

13、金建筑研究院國(guó)家建筑鋼材監(jiān)督檢測(cè)中心及天津天鐵集團(tuán)軋二制鋼有限公司合作，研制屈服強(qiáng)度為930MPa的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，已經(jīng)應(yīng)用于鄭州黃河大橋、廣東九江大橋、廣西悟州潯江大橋、四川紫坪鋪水電站、廣東廣深沿江高速公路、貴州鎮(zhèn)勝高速等重要建設(shè)工程。目前與河北鋼鐵承德鋼廠合作研制的V微合金化830MPa精軋螺紋鋼筋也已經(jīng)獲得應(yīng)用。,小結(jié),經(jīng)過40余年的發(fā)展，本團(tuán)隊(duì)對(duì)貝氏體鋼的相變基礎(chǔ)、合金設(shè)計(jì)、組織設(shè)計(jì)和強(qiáng)韌化機(jī)制方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為先進(jìn)鋼

14、鐵材料的設(shè)計(jì)和強(qiáng)韌化機(jī)制提供了大量的研究數(shù)據(jù)。同時(shí)發(fā)展了多個(gè)系列的貝氏體鋼產(chǎn)品，應(yīng)用到汽車、能源、鐵路、建筑、礦山、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。本團(tuán)隊(duì)自2011年在北京交通大學(xué)建立軌道交通貝氏體鋼研究中心，旨在推動(dòng)貝氏體鋼在鐵路上的應(yīng)用，研制的貝氏體轍叉、曲線軌等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用；目前正在研制貝氏體車輪、車軸等產(chǎn)品。,謝謝關(guān)注！,軌道交通金屬材料研究所Institute of Metallic Material in Railway Trans