貝氏體鋼軌矯直前后回火的組織性能分析

王冬，金紀勇，劉祥，陳昕，張瑜

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

貝氏體鋼軌具有良好的強韌性、耐磨性和抗接觸疲勞性能，近年來受到鋼鐵材料研究者和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的格外重視，被譽為“二十一世紀的鋼軌”［1-3］，其組織中含有的少量殘余奧氏體在變形過程中與基體相互配合不會降低抗拉強度的同時，還提升了韌塑性，綜合性能得到較大幅度提升［4-5］。殘余奧氏體對貝氏體鋼軌性能的影響更多地依賴于其在變形過程中的穩(wěn)定性，也直接決定著TRIP效應的作用，如果殘余奧氏體不穩(wěn)定，在變形開始階段就大量發(fā)生馬氏體相變，這種相變徐祖耀［6］稱為應力協(xié)助馬氏體形核，生成馬氏體硬相割裂貝氏體基體導致鋼軌韌塑性惡化并在內部產(chǎn)生較大的殘余應力；如果殘余奧氏體過于穩(wěn)定，在鋼發(fā)生斷裂后也不發(fā)生馬氏體相變，這樣的殘余奧氏體對性能也沒有任何提高［7］。因此有效控制殘余奧氏體穩(wěn)定性和含量是獲得綜合性能穩(wěn)定的貝氏體鋼軌關鍵。本文以熱軋貝氏體鋼軌為研究對象，重點分析了矯直前后回火的貝氏體鋼軌微觀組織、殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性以及拉伸性能特點，希望為獲得綜合性能穩(wěn)定的熱軋貝氏體提供工藝借鑒。

1 試制試驗與方法

試驗用鋼的化學成分見表1，經(jīng)過試制試驗軋制成60 kg/m貝氏體鋼軌，貝氏體鋼軌試制生產(chǎn)工藝見圖1。鋼軌軋制成形后分別進行矯直前回火和矯直后回火工藝處理，試驗分別選取兩根鋼軌，矯直前回火試樣編號為A，矯直后回火試樣編號為B。

表1 試驗鋼化學成分Table 1 Chemical Compositions in Test Steel %

按照TB 2344-2012中金相和拉伸性能檢驗試樣取樣要求，對試驗鋼軌進行取樣，具體取樣位置見圖2。

圖2 金相與拉伸試樣取樣部位Fig.2 Sampling Locations for Metallographic and Tensile Samples

試樣經(jīng)機械打磨和拋光后用4%的硝酸酒精浸蝕，利用ZEISS AX10光學顯微鏡進行金相組織觀察；將試樣厚度機械研磨至35～50 μm后在-20℃雙噴減薄，雙噴液為5%高氯酸+95%無水乙醇，液氮冷卻，電壓25～50 V，利用場發(fā)射JEM-2010F透射電境觀察試樣微觀組織形貌和殘余奧氏體形態(tài)；利用磁性法定量分析試樣組織中殘余奧氏體含量，通過拉伸試機檢驗試樣拉伸性能，通過對比組織性能分析研究矯直前后回火對貝氏體鋼軌組織性能影響。

2 試驗結果與分析

2.1 矯直前后回火對顯微組織影響

矯直前回火和矯直后回火兩組試驗方式得到的試樣金相組織見圖3。

圖3 矯直前后回火試樣金相組織Fig.3 Microstructures of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

從圖3可以看出，矯直前后回火試樣金相組織均由板條貝氏體+M/A島組成。由透射電鏡進一步觀察，矯直前后回火試樣組織形貌見圖4。可以看出矯直前回火試樣組織由無碳化物板條貝氏體、少量M/A島及微量馬氏體組成，未見殘余奧氏體，見圖4（a）；矯直后回火試樣組織由無碳化物板條貝氏體、板條間分布著殘余奧氏體薄膜、少量 M/A島和微量回火馬氏體組成，見圖4（b）。

圖4 矯直前后回火試樣透射組織形貌Fig.4 TEM Microstructure Appearances of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

2.2 變形對殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

2.2.1 矯直前后回火對殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

在回火工藝相同情況下，利用磁性法分別對矯直試樣、矯直后回火試樣，回火試樣、回火后矯直試樣及不矯直不回火試樣進行殘余奧氏體定量檢測，結果見表2。

表2 不同工藝條件殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性Table 2 Stability and Content of Residual Austenite with Different Processes %

由表2可以看出，與不矯直不回火試樣相比，矯直后殘余奧氏體含量下降7.3%，矯直后回火殘余奧氏體含量又下降了2.9%，而直接回火試樣殘余奧氏體含量下降13.9%，回火后矯直殘余奧氏體含量又下降了1.1%。根據(jù)試驗結果，貝氏體鋼軌矯直前回火和矯直后回火對組織中殘余奧氏體影響很大，熱軋貝氏體鋼軌直接矯直會使一部分殘余奧氏體發(fā)生應力誘導組織轉變（TRIP效應）。由于矯直過程中矯直力很大，導致局部劇烈變形誘發(fā)部分殘余奧氏體和M/A島發(fā)生馬氏體轉變，未發(fā)生轉變的殘余奧氏體則展現(xiàn)出較好的機械穩(wěn)定性，在后續(xù)回火中TRIP效應產(chǎn)生的馬氏體轉變成回火馬氏體，未轉變的殘余奧氏體和M/A島在加熱和保溫過程中發(fā)生少部分分解或轉變?yōu)樨愂象w，最終形成圖4（b）中的微觀組織；而矯直前直接回火的試樣由于加熱和保溫原因使熱穩(wěn)定性差的殘余奧氏體和M/A島發(fā)生分解，碳化物逐漸析出，部分位錯密度降低，剩余殘余奧氏體和M/A島在后續(xù)矯直中發(fā)生微弱的TRIP效應，生成微量馬氏體，這與圖4（a）中的組織構成相符合；上述分析可以發(fā)現(xiàn)，從組織組成來看，熱軋貝氏體鋼軌的后續(xù)工序順序應該采用矯直后回火工藝。

2.2.2 拉伸變形對殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

利用磁性法分別對試樣A和試樣B（二者回火工藝相同）進行5%拉伸塑性預變形殘余奧氏體定量檢測，結果見表3。

表3 拉伸變形殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性Table 3 Stability and Content of Residual Austeniteby Tensile Deformation Test %

由表3可見，試樣A經(jīng)過變形后，殘余奧氏體含量由12.4%降低到10.9%，機械穩(wěn)定性為87.6%；試樣B經(jīng)過變形后，殘余奧氏體含量由8.7%降低到6.7%，機械穩(wěn)定性為77.0%，該指標明顯優(yōu)于試樣A。這是由于試樣A經(jīng)過回火矯直，殘余奧氏體含量較少且不穩(wěn)定，在變形初期就產(chǎn)生大量馬氏體轉變割裂基體，不利于鋼軌強度與塑性；試樣B是經(jīng)過矯直變形后回火處理，殘余奧氏體熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性較高，在拉伸過程中能夠有效促進TRIP效應發(fā)生，不會在變形初期就出現(xiàn)大量馬氏體相變，而是伴隨著變形抗力增加均勻完成馬氏體相變過渡，實現(xiàn)強化貝氏體鋼軌的強塑性。

2.3 矯直前后回火對力學性能影響

對試樣A和試樣B進行拉伸試驗，同時對鋼軌進行全長拉伸性能穩(wěn)定性檢驗，位置選取鋼軌的15 m、30 m、45 m、60 m和75 m處，檢驗結果見表4。

表4 矯直前后回火拉伸性能對比Table 4 Comparison of Tensile Properties by Tempering before and after Straightening

由表4可以看出，試驗鋼軌全長拉伸性能穩(wěn)定性良好，試樣B強塑性明顯高于試樣A，其中抗拉強度平均值提高139 MPa，屈服強度平均值提高138 MPa，斷面收縮率提高8%，斷后伸長率相當。結合上述試驗鋼的微觀組織、殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性，并根據(jù)拉伸性能結果不難發(fā)現(xiàn)，試樣B的組織性能優(yōu)于試樣A。分析認為：一是試樣B經(jīng)過矯直后回火，殘余奧氏體機械性穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性強，在拉伸過程中能夠有效控制TRIP效應發(fā)生，提高強塑性，同時殘余奧氏體易產(chǎn)生塑變，在承受外加載荷的過程中可以吸收能量，對裂紋的擴展可起到緩沖作用進而提高塑性。二是由于矯直后回火和矯直前回火得到的組織形態(tài)和組織構成不同，試樣B中回火馬氏體能夠與貝氏體形成很好的組織配合，在拉伸過程不割裂基體；試樣A中存在微量馬氏體并未發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體，在拉伸過程中，有馬氏體割裂基體的現(xiàn)象，同時因缺少提供塑性的殘余奧氏體，導致試樣拉伸性能較差，強塑性不高。因此，矯直后回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能優(yōu)于矯直前回火工藝。

3 結論

（1）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火獲得的組織構成為無碳化物貝氏體+少量殘余奧氏體和M/A島+微量回火馬氏體，獲得的拉伸性能明顯優(yōu)于矯直前回火，且拉伸性能穩(wěn)定，抗拉強度平均提高139 MPa，屈服強度平均提高138 MPa。

（2）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火，殘余奧氏體體積分數(shù)比未矯直回火降低了10.2%，比矯直前回火降低了4.8%，獲得的殘余奧氏體機械穩(wěn)定性明顯提高，能夠有效控制變形中的TRIP效應發(fā)生，提高貝氏體鋼軌強韌性。

（3）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能優(yōu)于矯直前回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能。

浦項鋼鐵公司不斷拓展建筑用鋼市場

（1）與客戶簽署高端鋼建材“INNOVILT”品牌使用協(xié)議

近期，浦項鋼鐵公司將韓國17家公司的23個產(chǎn)品正式納入高端鋼材品牌“INNOVILT”認證產(chǎn)品，并與客戶簽訂品牌使用協(xié)議。浦項鋼鐵公司于2019年11月推出了鋼建材綜合品牌“INNOVILT”，便于消費者識別和選擇。近日，浦項鋼鐵與建材加工企業(yè)NI Steel公司在首爾事務所舉行了首個“INNOVILT”品牌使用簽約儀式，雙方將在創(chuàng)新方面加強合作。此外，為了將“INNOVILT”產(chǎn)品用于公共機構和大企業(yè)的建筑、土木工程設計，同時充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling）技術，浦項鋼鐵還特別制作了3D數(shù)碼信息文件，并在“INNOVILT”官方網(wǎng)站上提供了詳細的產(chǎn)品說明，可以下載包含“INNOVILT”產(chǎn)品性能和數(shù)據(jù)的3D數(shù)碼信息文件，并將其用于設計。

（2）TMCP厚板用于建設超高層大樓Parc1

近期，浦項鋼鐵公司生產(chǎn)的TMCP（控軋控冷）厚板正式應用于韓國國內第三高的摩天大樓建筑Parc1（333 m）。 Parc1是由浦項建設公司承建的項目，項目建設采購了約6.3萬t鋼材，其中包括浦項鋼鐵公司生產(chǎn)的TMCP厚板。

（3）高分辨率噴印鋼板“PosART”加快進軍建筑市場

近期，浦項鋼鐵的高分辨率噴印鋼板“PosART”以其優(yōu)異的性能，成為備受青睞的建筑內外裝飾板材?！癙osART”是由浦項鋼鐵公司光陽表面處理研究所開發(fā)，自2018年起在浦項鋼板公司生產(chǎn)的創(chuàng)新產(chǎn)品，其分辨率是普通印花鋼板的四倍以上。在2019年世界鋼鐵協(xié)會主辦的 “Steel ie”獎評選活動上，PosART榮獲“年度創(chuàng)新獎”。PosART以創(chuàng)新技術為基礎，除建筑內外裝飾材料外，今后還有望應用于攝影、紀念牌、電子產(chǎn)品等領域。

——摘自“鐵諾咨詢網(wǎng)”