1050車輪鋼組織和力學(xué)性能各向異性的研究

張青松，李國棟，戴光澤，李秋澤，朱振宇，馮 健

(1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031)

(2.中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林長春130062)

1050車輪鋼組織和力學(xué)性能各向異性的研究

張青松1，李國棟2，戴光澤1，李秋澤2，朱振宇1，馮 健1

(1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031)

(2.中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林長春130062)

研究了1050車輪鋼組織和力學(xué)性能的各向異性，在經(jīng)熱處理后的1050鋼冷軋棒材上并與軋制方向成0°、30°、45°3個(gè)不同方向取標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在0°、15°、30°、45°4個(gè)不同方向取標(biāo)準(zhǔn)Charpy－U型沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并觀察斷口形貌。結(jié)果表明:隨著與軋制方向角度的增加，試樣顯微組織的均勻性逐漸變差；拉伸性能隨著試樣與軋制方向角度的增加而降低，其中屈服應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度下降比例分別為10.3%、7.4%，斷口都是韌性斷裂；沖擊韌性隨著試樣與軋制方向角度的增加而降低，沖擊吸收功下降的比例為27%。隨著與軋制方向角度的增加，1050車輪鋼的強(qiáng)度、塑性與韌性逐漸降低，綜合力學(xué)性能降低，會(huì)導(dǎo)致車輪承受多向應(yīng)力時(shí)失圓并出現(xiàn)偏軸磨損現(xiàn)象，加速車輪的磨損失效。

1050鋼；軋制；力學(xué)性能；各向異性；斷裂

1 前 言

車輪是鐵路車輛運(yùn)行傳輸動(dòng)力的重要部件，也是影響鐵路車輛行車安全的重要部件之一。隨著高速重載運(yùn)行的發(fā)展，對(duì)車輪的安全性和可靠性提出了更高的要求[1]。運(yùn)行速度的提高以及軸重的增加，輪軌動(dòng)態(tài)作用力以及接觸應(yīng)力增加，輪軌之間存在沖擊載荷[2]，列車車輪磨耗損傷問題嚴(yán)重，加速車輪圓周方向多邊形磨耗，即車輪失圓現(xiàn)象，并發(fā)生偏軸磨損。1998年德國ICE型高速列車由于彈性車輪行車過程中發(fā)生多邊形化問題，輪箍在車輪不圓激勵(lì)作用下引起疲勞斷裂，導(dǎo)致列車脫軌。車輪在運(yùn)行過程中，有直線、曲線、道岔以及制動(dòng)4種載荷工況，尤其是在曲線與道岔載荷工況時(shí)，車輪不僅承受輪軌垂向力，還要承受輪軌橫向力[3]，使得車輪承受多向應(yīng)力。輾鋼車輪由鑄坯經(jīng)過壓軋、熱處理、機(jī)加工等工序制造而成，其中軋制是成形的重要工步之一，軋制成形后車輪機(jī)械性能的好壞直接關(guān)系到車輪服役性能。車輪成形后力學(xué)性能的各向異性將會(huì)直接影響服役過程中多軸應(yīng)力的疲勞性能。

對(duì)于鈦合金板材，在與板料軋制方向成0°和90°兩個(gè)方向上的加工硬化指數(shù)以及拉伸性能有明顯差異[4]，而且鈦合金板材垂直于軋制方向的疲勞極限和疲勞壽命均高于平行于軋制方向的[5]。對(duì)于金屬、層壓板、纖維等材料，隨著偏軸角度的增加，材料的拉深性能[6]、加工硬化指數(shù)[7]、加工性能[8]、疲勞強(qiáng)度[9]等性能逐漸降低。過共析鋼在冷軋過程中珠光體組織變得不均勻[10]。因此，軋制成形的各向異性對(duì)材料服役性能有很大的影響。

迄今為止，對(duì)于車輪服役性能的研究主要集中于服役條件、摩擦磨損、夾雜物、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等因素對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響[11－13]。典型車輪用鋼SAE 1050廣泛應(yīng)用于國外高速車輪以及貨車輪，研究者對(duì)其疲勞性能[14]、超高周疲勞性能[15]等進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，關(guān)于車輪用鋼各向異性的研究報(bào)道較少。本文主要研究了冷軋態(tài)1050車輪鋼組織和力學(xué)性能的各向異性，揭示車輪鋼各向異性的規(guī)律性，以期對(duì)車輪服役過程中承受多向應(yīng)力時(shí)性能評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)，并為車輪結(jié)構(gòu)安全性、可靠性以及抗各向異性設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為SAE 1050碳素結(jié)構(gòu)鋼，供貨狀態(tài)為?60 mm冷軋態(tài)圓棒，其化學(xué)成分如表1。

為了獲得均勻的鐵素體＋珠光體組織，將冷軋態(tài)圓棒進(jìn)行熱處理，以15℃/min的速度加熱至850℃，保溫50 min，然后空冷至室溫。所有試樣均取于熱處理后棒材，在沿著與軋制方向成0°、15°、30°、45°4個(gè)方向進(jìn)行切割取樣，并在VK-9710K型彩色3D激光顯微鏡下觀察試樣顯微組織。

在與軋制方向成0°、30°、45°3個(gè)方向截取標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，標(biāo)距直徑為10 mm，標(biāo)距長度為55 mm，按照GB/T 228－2002?金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)?在CMT-5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為5 mm/min，每個(gè)方向用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，結(jié)果取平均值。

在與軋制方向成0°、15°、30°、45°4個(gè)方向截取標(biāo)準(zhǔn)Charpy-U型缺口沖擊試樣，試樣長度均沿著角度方向，按照GB/T 229－2007?金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法?在JBW-300型示波沖擊試驗(yàn)器上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)量車輪鋼的沖擊吸收功AKU2，每個(gè)角度用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，結(jié)果取平均值。

將與軋制方向成不同角度的拉伸試樣與沖擊試樣斷口在VHX-1000C立體測(cè)量顯微鏡下進(jìn)行斷口形貌觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

與軋制方向成不同角度的試樣的顯微組織如圖1所示，顯微組織為鐵素體＋珠光體組織，其中黑色部分為珠光體，白亮色部分為鐵素體。與軋制方向成0°和15°方向組織較為相似，鐵素體與珠光體均勻分布，珠光體組織細(xì)?。?0°方向珠光體輕微長大，分布較為均勻；45°方向，組織分布不均勻，珠光體組織明顯增大，鐵素體局部集中。隨著與軋制方向角度的增加，珠光體組織逐漸變得粗大，組織均勻性逐漸降低。沈曉輝等的研究表明[16]，對(duì)于立式環(huán)形軋制車輪，軋制最大變形分布在輻板與輪輞連接處及輪輞外端靠近踏面處，輪輞外端變形明顯大于輪輞內(nèi)端變形，輪輞中心變形較難深透。車輪軋制變形不均勻，造成熱成形后顯微組織晶粒尺寸及分布的不均勻性。車輪經(jīng)過軋制并熱處理后的強(qiáng)度和韌性與原始組織晶粒尺寸有明顯關(guān)系，原始晶粒越細(xì)，熱處理后的性能越好[17，18]。因此車輪軋制過程中組織的不均勻性對(duì)車輪的服役性能具有重要影響。

3.2 拉伸性能

圖2為與軋制方向成不同角度試樣的拉伸力－位移曲線，拉伸性能列于表2。由圖2和表2可知，延伸率隨著與軋制方向角度的增大沒有明顯的變化，只有輕微下降的趨勢(shì)；而屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及斷面收縮率隨著與軋制方向角度的增大而明顯降低。其中由0°方向到30°方向屈服強(qiáng)度變化不大，由0°方向到45°方向屈服強(qiáng)度降幅為46 MPa，下降了約10.3%；由0°方向到30°方向的抗拉強(qiáng)度變化不大，由0°方向到45°方向抗拉強(qiáng)度降幅為56 MPa，下降了約7.4%；斷面收縮率由0°方向的59.6%下降到45°方向的53.4%，降幅約為6.2%，下降比例約為10.4%；而延伸率由0°方向的24.0%下降到30°方向的20.6%，降幅很小約3.4%，45°方向相比30°方向，延伸率變化不大。

圖1 與軋制方向成不同角度的試樣的顯微組織:(a)0°，(b)15°，(c)30°，(d)45°Fig.1 Microstructures of samples with different angels to rolling direction:(a)0°，(b)15°，(c)30°，(d)45°

圖2 與軋制方向成不同角度試樣的拉伸力－位移曲線Fig.2 Tensile force-displacement curves of samples with different angels to rolling direction

表2 與軋制方向成不同角度的試樣的拉伸性能Table 2 Tensile properties of samples with different angels to rolling direction

3.3 沖擊性能

表3列出了與軋制方向成不同角度的試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，沖擊吸收功的平均值隨著與軋制方向角度的增大而降低，由0°方向的48.28 J降低到45°方向的35.24 J，降幅約為13.04 J，下降比例約為27%。另外0°與15°方向的沖擊吸收功相差較小，30°與45°方向的沖擊吸收功迅速下降。

表3 與軋制方向成不同角度試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impacttestresultofsamples with differentangels to roll-ing direction

3.4 試樣斷口形貌

與軋制方向成不同角度試樣的拉伸斷口形貌如圖3所示，可以看出，與軋制方向成0°、30°、45°三個(gè)不同角度的試樣拉伸斷口形貌均為典型的杯錐狀斷裂，而且在試樣斷口心部均有韌窩的存在，因此為微孔聚集型斷裂，表現(xiàn)出良好的韌性斷裂性能。試樣在承受拉伸應(yīng)力的時(shí)候，首先發(fā)生可恢復(fù)彈性變形，試樣被拉長；當(dāng)應(yīng)力超過其彈性極限時(shí)，試樣開始發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，即明顯屈服現(xiàn)象，試樣變形急劇增加；當(dāng)試樣受力超過屈服極限后，由于鐵素體相與滲碳體相局部變形不一致引起材料內(nèi)部產(chǎn)生微小的孔洞，孔洞尺寸隨著拉應(yīng)力的增加逐漸聚集、長大，當(dāng)載荷超過拉伸曲線最高點(diǎn)后，3種不同角度試樣均發(fā)生頸縮；頸縮處實(shí)際應(yīng)力不斷提高，塑性變形在試樣中心部分產(chǎn)生橫向應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生；微裂紋擴(kuò)展到一定程度后，塑性變形產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致金屬局部軟化，受平面應(yīng)力狀態(tài)的影響，試樣沿與拉伸應(yīng)力成45°方向剪切脫開，形成杯錐狀斷口。杯錐狀斷口分為3個(gè)區(qū)域，在斷口中央晶粒被拉長，微小孔洞形成鋸齒狀形貌，為纖維區(qū)，是斷裂的起始處；當(dāng)微裂紋形成后，在纖維區(qū)緩慢擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定程度后，裂紋尺寸變大并快速擴(kuò)展，形成放射區(qū)，呈現(xiàn)纖維狀放射條紋；最后，試樣剪切斷開，形成剪切唇。斷口各區(qū)域所占比例相差不大，但0°方向斷口纖維區(qū)較為平整，故強(qiáng)度、塑形較高；而30°與45°方向斷口纖維區(qū)較為粗糙不平整，斷口中有較多的孔洞，因此強(qiáng)度、塑性變差。隨著與軋制方向角度的增加，材料的強(qiáng)度與塑性均降低。

圖3 與軋制方向成不同角度試樣的拉伸斷口形貌:(a)0°，(b)30°，(c)45°Fig.3 Tensile fracture morphologies of samples with different angels to rolling direction:(a)0°，(b)30°，(c)45°

圖4 是與軋制方向成不同角度試樣的沖擊斷口形貌，可以看到，沖擊試樣斷口分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇3個(gè)區(qū)域。這3個(gè)區(qū)域所占比例大小，標(biāo)志著材料韌性的優(yōu)劣，而沖擊功主要消耗在經(jīng)過塑性變形而形成的纖維狀斷口上。在實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，纖維區(qū)和剪切唇越大，則材料韌性越好。觀察斷口形貌，可看到隨著與軋制方向角度的增加，表面無金屬光澤的纖維狀斷口面積不斷減小，剪切唇區(qū)域面積也有輕微減小趨勢(shì)，而位于中心、齊平的、有金屬光澤的結(jié)晶狀斷口，即放射區(qū)面積不斷增大。因此，隨著與軋制方向角度的增大，材料的韌性逐漸降低。0°方向試樣斷口(圖4a，b)，纖維區(qū)在試樣U型缺口中部呈同心圓弧狀，所占區(qū)域面積較大，而且剪切唇區(qū)域明顯可見，放射區(qū)較為平整；15°方向試樣的斷口形貌(圖4c，d)與0°方向的相差不大。30°方向試樣斷口(圖4e，f)，纖維區(qū)形狀開始發(fā)生變化，區(qū)域面積減小，放射區(qū)平整度降低，剪切唇寬度變窄且不均勻，沖擊韌性降低；45°方向試樣斷口(圖4g，h)，纖維區(qū)形狀發(fā)生顯著變化，由同心圓弧狀變?yōu)殚L條狀，寬度變窄，區(qū)域面積明顯降低，放射區(qū)不平整有凹陷或凸起部位，剪切唇區(qū)域明顯變窄，在斷口右下方局部出現(xiàn)無剪切唇現(xiàn)象，沖擊韌性顯著降低。

3.5 分析與討論

對(duì)于冷軋成形材料，在軋制方向上組織呈等軸細(xì)長晶粒，組織較為均勻，綜合性能較好，在與軋制方向成不同角度的方位進(jìn)行切割取樣，破壞了軋制等軸細(xì)長晶粒組織，出現(xiàn)扁平晶粒，組織的均勻性變差，綜合性能降低。在靜拉伸試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)中，與軋制方向平行的等軸細(xì)長晶粒在受力的過程中，應(yīng)力與軋制方向平行，各個(gè)晶粒受力方向基本一致，變形較為均勻，抵抗變形與斷裂的能力更強(qiáng)，表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。與軋制方向成30°和45°的試樣，顯微組織不再是等軸細(xì)長晶粒，珠光體組織出現(xiàn)粗大現(xiàn)象，在靜拉伸以及沖擊試驗(yàn)中，試樣受到應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力與軋制方向不再平行，各個(gè)晶粒受力方向不一致，變形不均勻，綜合力學(xué)性能顯著降低。當(dāng)角度在30°以內(nèi)時(shí)，晶粒在受到應(yīng)力作用時(shí)，發(fā)生緩慢變形，晶粒之間相互影響較小，因此屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相差較小。在沖擊載荷下，幾乎是瞬時(shí)作用于試樣上相當(dāng)高的應(yīng)力，塑性變形難于充分進(jìn)行，而比較集中在某些局部區(qū)域，又因?yàn)樵嚇优c軋制方向的角度不同，組織均勻性不同，塑性變形難度更大，因此沖擊韌性隨著與軋制方向角度的增加而逐漸下降。當(dāng)角度在15°以內(nèi)時(shí)，由于顯微組織均勻性相差較小，因此沖擊韌性相當(dāng)。隨著與軋制方向角度的增加，車輪鋼強(qiáng)度、塑性與韌性均逐漸降低，綜合力學(xué)性能降低。由于車輪鋼偏軸方向力學(xué)性能降低，車輪在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中承受多向應(yīng)力時(shí)的服役性能降低，促使車輪失圓出現(xiàn)偏軸磨損現(xiàn)象，并加速車輪的不均勻性磨耗。

4 結(jié) 論

(1)與軋制方向成不同角度試樣的拉伸性能存在各向異性，隨著角度的增加，拉伸性能逐漸降低。角度在45°以內(nèi)時(shí)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度下降比例較大，分別為10.3%、7.4%；當(dāng)角度在30°以內(nèi)時(shí)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度變化不大。拉伸斷口形貌均為杯錐狀，具有良好的拉伸斷裂韌性。

(2)與軋制方向成不同角度試樣的沖擊性能各異，沖擊吸收功隨著角度的增加逐漸降低，在45°以內(nèi)下降比例為27%，在15°以內(nèi)沖擊性能相當(dāng)。隨著角度的增加，試樣沖擊斷口纖維區(qū)和剪切唇所占比例不斷減小，放射區(qū)所占比例相應(yīng)增加。

(3)隨著與軋制方向角度的增加，1050車輪鋼的強(qiáng)度、塑性與韌性逐漸降低，綜合力學(xué)性能降低，會(huì)導(dǎo)致車輪承受多向應(yīng)力時(shí)失圓并出現(xiàn)偏軸磨損現(xiàn)象，加速車輪的磨損失效。

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(編輯 惠 瓊)

Investigation on Anisotropic Microstructure and Mechanical Properties of 1050 Wheel Steel

ZHANG Qingsong1，LI Guodong2，DAI Guangze1，LI Qiuze2，ZHU Zhenyu1，F(xiàn)ENG Jian1
(1.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)
(2.Bogie Developing Department，CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China)

This article investigated the anisotropic microstructure and mechanical properties of 1050 wheel steel.The tensile test for standard round bar specimens with 0°，30°and 45°three different angles to rolling direction of heat treated cool rolling 1050 steel round bar were carried out at room temperature.And the impacttoughness testfor Charpy-U notched specimens with 0°，15°，30°and 45°four different angles to rolling direction were carried out at room temperature.The results showed that the homogeneity of microstructure decreased with the angle to rolling direction increasing.The tensile properties decreased with increasing angle to rolling direction.The decrease percentages for yield strength and tensile strength were 10.3%and 7.4%respectively and all fractures were ductile fracture.The impact toughness decreased with increasing angle to rolling direction and the decrease percentage for impact absorbing energy was 27%.The strength，plasticity，impact toughness of 1050 wheel steel decreased with the angle to rolling direction increasing，which results in out of circularity and abnormal wear of wheels，and the wheels?wear failures are speeded up.

1050 wheel steel；rolling；mechanical property；anisotropy；fracture

TG142.1

A

1674－3962(2017)06－0461－06

2016－03－18

西南交通大學(xué)2015年研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目(YC201509102)

張青松，男，1991年生，博士研究生

戴光澤，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:g.dai＠163.com

10.7502/j.issn.1674－3962.2017.06.10