鐵路轍叉用合金鋼的組織和性能研究.pdf

1、本文主要以鐵路轍叉用高錳奧氏體鋼和無(wú)碳化物貝氏體鋼為研究對(duì)象，探討了微結(jié)構(gòu)演變和成分配分兩方面對(duì)鐵路轍叉用合金鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和疲勞性能的影響和規(guī)律本質(zhì)。系統(tǒng)地研究了傳統(tǒng)高錳鋼(Mn12C1.2)和氮碳合金化高錳奧氏體鋼(Mn18Cr7C0.6N0.3)的循環(huán)變形機(jī)制；分析了無(wú)碳化物貝氏體鋼(46SiMnCrAlMoNi和46SiMnCrAlMoNi1)中不同的組織特性與性能之間的關(guān)系；研究了回火對(duì)無(wú)碳化物貝氏體鋼(46SiMnCr

2、AlMoNi1)組織及性能的影響；揭示了無(wú)碳化物貝氏體鋼(34SiMnCrAlMoNi1和46SiMnCrAlMoNi1)的循環(huán)變形行為和疲勞損傷機(jī)制；探討了無(wú)碳化物貝氏體的相變行為。
　　制備出了強(qiáng)度和塑性均優(yōu)于普通高錳鋼的鐵路轍叉用新型氮碳合金化高錳奧氏體鋼，對(duì)其進(jìn)行了低周和高周疲勞試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：在塑性應(yīng)變控制疲勞下， Mn18Cr7C0.6N0.3鋼中較低的層錯(cuò)能和增強(qiáng)的N-Cr短程有序效應(yīng)使材料呈循環(huán)軟化現(xiàn)象。由于低

3、的層錯(cuò)能和高的短程有序效應(yīng)，Mn18Cr7C0.6N0.3鋼表現(xiàn)為顯著的平面滑移特點(diǎn)，隨循環(huán)周次的增加，最終得到穩(wěn)定的平行或交叉的富位錯(cuò)帶和貧位錯(cuò)帶結(jié)構(gòu)。Mn12C1.2鋼主要表現(xiàn)為循環(huán)硬化，短程有序的C-Mn原子對(duì)中的C與位錯(cuò)之間的相互反應(yīng)是高錳鋼循環(huán)硬化的本質(zhì)原因。低周和高周疲勞試驗(yàn)的循環(huán)變形亞結(jié)構(gòu)均為不完全/完全的位錯(cuò)胞和層錯(cuò)。
　　研究發(fā)現(xiàn)：在46SiMnCrAlMoNi和46SiMnCrAlMoNi1貝氏體鋼中，低溫貝氏

4、體等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇泳@得了最佳的強(qiáng)韌性配合，對(duì)應(yīng)著其最少的殘余奧氏體含量和最小的組織尺寸。在350oC的貝氏體等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，殘余奧氏體分?jǐn)?shù)最高，其中的碳含量最低，薄膜狀的殘余奧氏體的尺寸更粗大，最終使其屈服強(qiáng)度最低。但薄膜狀的殘余奧氏體的多尺度分布，使其在拉伸變形的過(guò)程中可持續(xù)的發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，最終得到較高的抗拉強(qiáng)度和較好的總延伸率以及均勻延伸率。
　　研究了回火對(duì)46SiMnCrAlMoNi1貝氏體鋼經(jīng)低溫貝氏體等溫轉(zhuǎn)變獲得試

5、樣的組織和性能的影響。結(jié)果表明：340oC回火試樣在保持一定塑性的基礎(chǔ)上，具有最優(yōu)的強(qiáng)韌性配合；320oC和360oC回火試樣次之。貝氏體鐵素體板條尺寸和貝氏體束的錯(cuò)配角分布在較低溫度回火時(shí)(<360oC)對(duì)回火工藝不敏感，但在較高溫度450oC回火時(shí)，貝氏體鐵素體板條會(huì)明顯粗化。在回火溫度400oC之前，碳的擴(kuò)散系數(shù)都較小，殘余奧氏體以向貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，隨溫度的增加，殘余奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力減??；當(dāng)回火溫度達(dá)到450oC后，碳的

6、擴(kuò)散系數(shù)會(huì)急劇增加，薄膜狀的殘余奧氏體由于其中高的碳含量分解成碳化物和鐵素體。
　　對(duì)34SiMnCrAlMoNi1和46SiMnCrAlMoNi1貝氏體鋼的循環(huán)變形行為進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)：隨貝氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度降低，試樣的循環(huán)硬化能力下降，循環(huán)軟化程度增強(qiáng)。利用滯回能模型對(duì)疲勞性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)：綜合考慮強(qiáng)度和塑性，在疲勞失效壽命<1000周次的疲勞區(qū)域，低溫貝氏體等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇拥钠谛阅芨?；在疲勞失效壽?1000周次的疲勞區(qū)域，高溫

7、貝氏體等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇拥钠谛阅芨鼉?yōu)。隨貝氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度降低，試樣的疲勞損傷容限(W0)增加，疲勞損傷速率(β)降低。在循環(huán)變形前后置換原子在兩相中以及兩相界面處的配分情形未有變化，對(duì)循環(huán)變形行為沒(méi)有影響。
　　利用三維原子探針和正電子湮沒(méi)技術(shù)對(duì)無(wú)碳化物貝氏體的相變行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：無(wú)碳化物貝氏體中的貝氏體鐵素體均為碳的過(guò)飽和，碳除極少數(shù)固溶于晶格中，主要存在于團(tuán)簇中?？瘴徊粌H可以作為貝氏體相變過(guò)程中碳的擴(kuò)散通道，又可作為碳