鐵路車軸用微合金化鋼強(qiáng)韌機(jī)理研究與分析*

吳 毅

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

中國鐵路是世界上為數(shù)不多的快速和重載兼顧發(fā)展的國家之一，近些年來都取得了舉世矚目的成就。作為鐵道機(jī)車車輛走行部的關(guān)鍵部件之一，車軸承受著來自車體及軌道的各種作用力下，應(yīng)具有足夠的安全可靠性和更長的使用壽命，這就對(duì)車軸材料及相關(guān)技術(shù)發(fā)展提出了越來越高的要求[1-4]。

從設(shè)計(jì)選材的角度出發(fā)，碳素鋼車軸原材料成本較低，具有較高的性價(jià)比，但材料強(qiáng)韌性有其固有的限度；合金鋼有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如淬透性好、變形小、硬度高、屈強(qiáng)比高、耐腐蝕性能好等等，但是造價(jià)比較高；結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際運(yùn)用需求，微合金化鋼因其良好的強(qiáng)韌性匹配和較優(yōu)的性價(jià)比，作為重載或快捷貨車用車軸的選材具有顯著的比較優(yōu)勢(shì)。

微合金化技術(shù)最早于二十世紀(jì)六、七十年代在低碳鋼扁平材軋制生產(chǎn)中得到應(yīng)用，它是通過添加微量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.1%左右)的合金化元素釩、鈮、鈦進(jìn)行微合金化，在鋼中形成相對(duì)穩(wěn)定的碳化物和氮化物，從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化效果，使其強(qiáng)韌性得到顯著改善[5]。通過幾次升級(jí)換版，北美鐵路協(xié)會(huì)將釩元素納入到AAR M-101《Axles, Carbon Steel, Heat-treated Specification》車軸標(biāo)準(zhǔn)中，同時(shí)將車軸的強(qiáng)度指標(biāo)要求提高了5%，主要用于重載貨運(yùn)列車。

大量研究表明，微合金鋼中析出相的形貌、結(jié)構(gòu)、及分布對(duì)材料性能具有重要的影響,文中主要結(jié)合對(duì)重載鐵路貨車用微合金化LZ45CrV車軸鋼的綜合性能分析，從微觀角度對(duì)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)、分布特征進(jìn)行了研究，為組織性能優(yōu)化和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 拉伸性能分析

對(duì)二次正火+一次回火熱處理完的微合金化LZ45CrV車軸進(jìn)行解剖分析，得到的抗拉、屈服強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率測(cè)試結(jié)果都滿足標(biāo)準(zhǔn)性能要求，且有一定程度余量，見表1。

表1 LZ45CrV車軸拉伸性能測(cè)試結(jié)果

選取典型的拉伸試樣斷口進(jìn)行分析，如圖1所示，從圖中可以看出，拉伸斷口具有比較明顯的邊緣剪切特征，而且在高倍下觀察到在微觀蜂窩狀韌窩中有極小的顆粒物存在。

圖1 LZ45CrV車軸典型拉伸試樣斷口

2 動(dòng)態(tài)沖擊性能分析

對(duì)LZ45CrV車軸鋼進(jìn)行了系列溫度下的示波沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)采用U2型標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，示波沖擊試驗(yàn)機(jī)為德國ZWICK生產(chǎn)的PSW750型，用以記錄沖擊變形和斷裂過程的載荷——位移曲線，如圖2所示。

圖2 LZ45CrV車軸典型示波沖擊能量曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到了不同溫度下的示波沖擊能量對(duì)比分析曲線如圖3所示，隨試驗(yàn)溫度的降低，示波沖擊各階段能量均呈下降趨勢(shì)，但比較之下，裂紋擴(kuò)展能Wp較裂紋萌生能Wi下降更快，也即沖擊試驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展過程受溫度影響更大。

圖3 不同溫度下示波沖擊能量對(duì)比分析曲線

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明[6-8]，裂紋擴(kuò)展能的大小與缺口處塑性變形的能力有關(guān)，材料在斷裂前若發(fā)生了較大的塑性變形，則裂紋前端的應(yīng)力集中就會(huì)得到緩解，從而使裂紋鈍化，擴(kuò)展減慢或停止。裂紋擴(kuò)展能與萌生能比值(Wp/Wi)的大小一定程度上反映了材料的韌脆斷裂狀態(tài)。當(dāng)比值大于1時(shí)，即裂紋擴(kuò)展能大于萌生能，則偏向于韌性斷裂；而當(dāng)比值小于1時(shí)，表明裂紋擴(kuò)展過程消耗的能量小，斷裂偏向于脆性，而且比值越小說明脆性的傾向越大。測(cè)得的數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)，當(dāng)溫度從20 ℃降至-40 ℃時(shí)，Wp/Wi的比值顯著降低，也即低溫下LZ45CrV試驗(yàn)鋼呈現(xiàn)出了更明顯的脆性傾向。

圖4 LZ45CrV車軸典型沖擊試樣斷口

如圖4，斷口分析表明， LZ45CrV車軸鋼在沖擊試驗(yàn)高應(yīng)變速率條件下，不僅珠光體以解理方式發(fā)生斷裂，而且絕大部分鐵素體，特別是沿奧氏體晶界析出的網(wǎng)狀鐵素體也呈現(xiàn)脆性解理斷裂，纖維區(qū)為準(zhǔn)解理加韌窩，過渡區(qū)為準(zhǔn)解理，結(jié)晶區(qū)為準(zhǔn)解理加解理。因此，具有細(xì)小奧氏體晶粒的微合金化LZ45CrV鋼，由于裂紋擴(kuò)展阻力增加，不僅提高了斷裂時(shí)的裂紋形成功，而且也提高了裂紋擴(kuò)展功，但對(duì)沖擊值的貢獻(xiàn)，主要來自裂紋擴(kuò)展功的提高。

3 精細(xì)結(jié)構(gòu)透鏡分析(TEM)

從金相組織照片中能夠看到微合金化LZ45CrV車軸晶粒得到了明顯細(xì)化，而細(xì)晶強(qiáng)化是鋼鐵材料中既能提高強(qiáng)度又能改善韌性的最有效方式，晶粒越小則晶界越多，其阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力也就越強(qiáng)，細(xì)晶強(qiáng)化效果也就越明顯，深入的精細(xì)結(jié)構(gòu)分析如圖5所示。

圖5 LZ45CrV車軸鋼透射電鏡精細(xì)結(jié)構(gòu)

從上述精細(xì)結(jié)構(gòu)分析可以看出，微合金車軸鋼中的珠光體形態(tài)各異，滲碳體既有片狀，也有球狀；既有長片狀，也有短片狀；既有有序排列，相互平行的片狀，也有無序排列的。形態(tài)不同的珠光體可以看作是原來長片狀的滲碳體有一部分變態(tài)為短片或球狀，而另外一部分則由有序排列變?yōu)闊o序排列或形成變態(tài)的珠光體。變態(tài)珠光體則可以認(rèn)為是加入微合金化元素和控軋控冷的結(jié)果，它對(duì)鋼的韌性有較大的貢獻(xiàn)，而對(duì)鋼的強(qiáng)度影響不大。調(diào)整奧氏體晶粒，并使之細(xì)小，是獲得細(xì)晶粒相變產(chǎn)物的先決條件，細(xì)小的奧氏體晶粒，既可以得到細(xì)小鐵素體晶粒，也可使珠光體團(tuán)細(xì)化，進(jìn)而使鋼的強(qiáng)韌性得到改善[9]。如圖所示，在透射電子顯微鏡下還可以清晰看到微合金化LZ45CrV鋼析出相周圍的位錯(cuò)存在。

進(jìn)一步通過能譜分析儀對(duì)透射電鏡下車軸鋼的精細(xì)結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行定性分析，如圖6所示，可以看出析出相主要含有V、Cr、Mo等合金元素。

圖6 LZ45CrV車軸鋼析出相透射電鏡下能譜分析

4 三維原子探針分析(3DAP)

在前述微觀組織結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用三維原子探針(3DAP)技術(shù)對(duì)微合金元素在試驗(yàn)車軸鋼中的分布狀態(tài)進(jìn)行了分析，如圖7所示。3DAP是對(duì)不同元素的原子逐個(gè)進(jìn)行分析的一種技術(shù)手段，能夠給出納米空間中不同元素原子的分布圖形，是目前微觀分析精度最高的一種分析技術(shù)。

圖7 三維原子探針(3DAP)設(shè)備

將樣品加工成小于0.5 mm的圓形細(xì)絲，然后將薄層的電解液注入到較大密度的惰性液體上面，如圖8所示，將樣品垂直插入進(jìn)行電解拋光，從而在樣品中部出現(xiàn)頸狀區(qū)，再對(duì)頸狀區(qū)進(jìn)行更為緩慢的拋光電解，直到下半部分因重力作用而與上半部發(fā)生分離以便得到兩個(gè)針尖狀樣品[10]。

圖8 電解拋光示意圖

如圖9所示，是微合金化車軸鋼在(62×61×213)nm的選定范圍內(nèi)的合金元素三維空間分布狀況，從3DAP 分析得到的原子空間分布圖中可以看出，在選定的區(qū)域內(nèi)C、Cr、V元素在Fe基體中都呈現(xiàn)出較為一致的偏聚狀態(tài)，同時(shí)也表明，合金元素添加到車軸鋼中主要是以納米級(jí)的碳化物形式存在，從而對(duì)基體起到了很好的析出強(qiáng)化作用。

圖9 LZ45CrV車軸鋼中合金元素在三維空間中的分布 (62×61×213)

如圖10(a)所示，從圖9中所選定的(62×61×213)nm范圍內(nèi)得到的碳化物分布區(qū)間內(nèi)選取(10×10×40)nm大小的柱形區(qū)域進(jìn)一步作各元素在不同空間距離內(nèi)的原子分布分析，如圖10(b)所示，從圖中可以看出，在以Fe為基體的鋼中，不但C、Cr、V元素原子在空間具有非常相似的偏聚規(guī)律，而且在它們相似的分布區(qū)域內(nèi)，各元素原子沿分布平面法線方向不同距離范圍內(nèi)亦呈現(xiàn)出較為一致的分布狀態(tài)，從而進(jìn)一步說明Cr、V元素在車軸鋼中主要是與C元素結(jié)合以碳化物形式存在。

圖10 LZ45CrV車軸鋼中各元素在選定柱形在選定區(qū)域內(nèi)不同部位原子的分布圖

5 物理化學(xué)相分析

(1)X射線衍射分析

對(duì)試驗(yàn)鋼樣品進(jìn)行電解分離，在成分為50 g/L氯化鉀+10 g/L檸檬酸的水溶液中，以0.025～0.030 A/cm2的電流密度，在0～50 ℃的溫度條件下電解1～2 h。電解后用稀電解液和水洗滌試樣上的沉淀析出相數(shù)次，并經(jīng)濾膜過濾干燥得到析出相的沉淀粉末[11]。測(cè)得的X-射線衍射分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 LZ45CrV車軸鋼X-射線衍射測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)試樣的X-射線衍射分析可以看到，試驗(yàn)用微合金化車軸鋼中的析出相主要為V(C, N)，說明V在微合金化車軸鋼中主要是形成了碳氮化物。

(2)析出相掃描電鏡分析(SEM)

進(jìn)一步對(duì)樣品通過分離得到的析出相粉末分別進(jìn)行掃描電鏡下觀察分析，如圖12所示，從掃描電鏡宏觀形貌照片中可以看到，得到的析出相粉末細(xì)小不一，呈不規(guī)則狀，同時(shí)能譜分析顯示主要為含釩的碳化物。

圖12 LZ45CrV車軸鋼析出相掃描電鏡能譜分析

從上述結(jié)果可以看出，微合金元素釩在試驗(yàn)鋼中主要是與C、N元素結(jié)合形成碳氮化物，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過程中，由于微合金元素在鐵素體和奧氏體中的溶解度不同，從而以碳、氮化物的形式沉淀析出，得到大小不一的析出相，起到相應(yīng)的沉淀強(qiáng)化效果；對(duì)于經(jīng)過正火處理的鋼種，析出相可以阻止在正火溫度下奧氏體晶粒的長大，最終細(xì)化鐵素體晶粒，從而通過微合金化來達(dá)到試驗(yàn)鋼中沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化兩種強(qiáng)化方式協(xié)調(diào)作用的效果，使試驗(yàn)鋼達(dá)到良好的強(qiáng)度、韌性配合[12-13]。

通過對(duì)重載鐵路貨車用微合金化LZ45CrV車軸鋼的綜合性能分析，同時(shí)從微觀角度對(duì)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)、析出相分布特征等進(jìn)行了觀察，結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果表明[14-16]，在微合金化車軸鋼中，由于先共析鐵素體中有沉淀析出相的存在，使得形變呈均勻增加，滑移線為細(xì)小均勻的波紋狀，而不像一般的平直狀，所以較少在鐵素體中產(chǎn)生微孔聚合型裂紋。沉淀相的強(qiáng)化效能越高，與珠光體強(qiáng)度的差距越小，形變后很快硬化至珠光體的屈服強(qiáng)度，引起珠光體參與形變。珠光體的斷裂是與其形態(tài)有關(guān)的，粗片狀的珠光體一般較易發(fā)生剪切型斷裂，而細(xì)珠光體則可以承受較大的應(yīng)變而不出現(xiàn)斷裂。變態(tài)珠光體的共析鐵素體基體基本上是連續(xù)的，鐵素體塑性形變比較容易連續(xù)進(jìn)行，使珠光體的剪切斷裂需要在更大的切變量下才能產(chǎn)生微孔的形成、長大和聚合，因此由于變態(tài)珠光體的韌性斷裂面積有所增大，從而對(duì)提高鋼的韌性有利。

對(duì)于微合金化LZ45CrV非調(diào)質(zhì)車軸鋼，在保持珠光體體積分?jǐn)?shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，使組織均勻細(xì)化，適當(dāng)降低碳含量，提高先共析鐵素體的數(shù)量，縮小珠光體片層間距，并優(yōu)化析出相的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，能夠有效提高鋼的強(qiáng)韌性。

6 結(jié) 論

(1)LZ45CrV車軸綜合性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度不小于700 MPa，屈服也在400 MPa以上；動(dòng)態(tài)示波沖擊研究顯示，具有細(xì)小奧氏體晶粒的微合金化LZ45CrV鋼，由于裂紋擴(kuò)展阻力的增加，不僅提高了斷裂時(shí)的裂紋形成功，而且也提高了裂紋擴(kuò)展功，但對(duì)沖擊值的貢獻(xiàn)，主要來自裂紋擴(kuò)展功的提高。

(2)LZ45CrV鋼珠光體片層形態(tài)多樣，在滲碳體周圍以及片層間的鐵素體上有細(xì)小彌散的析出相分布；在更高倍數(shù)下，從析出相的明暗場(chǎng)像可以看到第二相粒子尺寸大約在幾十到一百納米大小左右。

(3)通過三維原子探針分析微合金化車軸鋼在選定范圍內(nèi)的合金元素原子三維空間分布狀況顯示，C、Cr、V元素在Fe基體中都呈現(xiàn)出較為一致的偏聚狀態(tài)，同時(shí)也表明，合金元素添加到車軸鋼中主要是以納米級(jí)的碳化物形式存在，從而對(duì)基體起到了很好的析出強(qiáng)化作用。

(4)采用物理化學(xué)相分析的方法對(duì)試驗(yàn)車軸鋼進(jìn)行了定性、定量的研究，從而對(duì)析出相的形貌、分布、成分、結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有了一個(gè)更為全面的認(rèn)識(shí)。