不同熱處理?xiàng)l件下U75V重軌鋼的組織及斷裂韌性研究

郭曜琿 ， 岑耀東 ,*， 霍艷玲 ， 馬 瀟 ， 陳 林 ， 趙浩男 ， 王 媛

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 包頭北方創(chuàng)業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸量的增加和列車行駛速度的提高，鋼軌的服役環(huán)境越來越復(fù)雜。重軌鋼受車輪交變載荷的沖擊，軌頭表面會(huì)萌生微小裂紋并向縱深擴(kuò)展，進(jìn)而發(fā)生斷裂。因此，斷裂韌性是判斷鋼軌使用性能的重要指標(biāo)之一[1-9]。

U75V重軌鋼是典型的珠光體鋼軌，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和耐磨性，應(yīng)用較廣泛。目前，研究人員大多通過成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝來進(jìn)一步優(yōu)化U75V重軌鋼的力學(xué)性能。如Cen等[10]研究了在線連續(xù)冷卻對(duì)U75V鋼軌組織和性能的影響，認(rèn)為在線連續(xù)冷卻熱處理工藝可以顯著提升U75V鋼軌的抗拉強(qiáng)度。Cen等[11]還研究了低溫回火對(duì)U75V鋼軌組織與性能的影響，結(jié)果顯示，在200℃下保溫6 h后，U75V鋼軌部分片層珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w，屈服強(qiáng)度和沖擊韌性明顯提高。岑耀東等[12]研究了在線余熱淬火對(duì)U75V鋼軌組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)在線余熱淬火可以有效提高U75V鋼軌的強(qiáng)韌性，熱處理后的鋼軌抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高16.6%、20%。陳林等[13]研究了稀土元素Ce對(duì)熱軋U75V鋼軌斷裂韌性的影響，發(fā)現(xiàn)熱軋U75V鋼軌加入0.0023%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的稀土后，-20 ℃時(shí)的斷裂韌性KIC平均值提高8.8%；加入0.0056%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的稀土后，-20 ℃時(shí)的斷裂韌性KIC平均值提高14.3%。但是，目前對(duì)熱處理U75V鋼軌性能優(yōu)于軋態(tài)的機(jī)理尚不明確，對(duì)鋼軌斷裂韌性的研究也較少。

前期已對(duì)珠光體重鋼軌的熱處理工藝、疲勞性能進(jìn)行了系列研究[9-14]，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)加大淬火冷速可有效細(xì)化珠光體片層間距，大大提高鋼軌的抗拉強(qiáng)度和疲勞性能。在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文研究U75V重軌鋼在線軋態(tài)和在線熱處理態(tài)2種條件下的微觀組織、斷口形貌、應(yīng)變特點(diǎn)及三點(diǎn)彎曲斷裂韌性，揭示微觀組織對(duì)斷裂韌性的影響規(guī)律，為研究珠光體重軌鋼熱處理工藝提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為U75V重軌鋼，其化學(xué)成分見表1。一種材料為軋后900 ℃空冷到室溫，控制冷速為0.5 ℃/s進(jìn)行冷卻（簡(jiǎn)稱軋態(tài)）；另一種是軋后900 ℃冷卻到750 ℃，控制冷速為3 ℃/s進(jìn)行冷卻，然后風(fēng)冷直至室溫（簡(jiǎn)稱熱處理態(tài)）。采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)。利用激光共聚焦對(duì)試樣斷口進(jìn)行觀察。采用金相顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察。采用三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)（應(yīng)變儀）對(duì)裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行測(cè)試。三點(diǎn)彎曲試樣尺寸及取樣方式如圖1所示。

表1 U75V重軌鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of U75V heavy rail steel (mass fraction /%)

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣尺寸及取樣位置Fig.1 Three-point bending specimen size and sampling position

2 微觀組織分析

U75V重軌鋼的顯微組織如圖2所示。由圖可知，U75V重軌鋼組織由珠光體組成。軋態(tài)試樣的金相組織中可以清晰地觀察到珠光體片層（圖2a、圖2c），但熱處理試樣在光學(xué)顯微鏡下沒有觀察到珠光體片層（圖2b），說明熱處理態(tài)試樣的珠光體片層比軋態(tài)試樣的珠光體片層更細(xì)小，具有顯著的珠光體團(tuán)簇（圖2d）。軋態(tài)試樣珠光體片層間距平均為272.2 nm，而熱處理態(tài)試樣珠光體片層間距平均為148.4 nm。熱處理態(tài)的珠光體片層間距細(xì)密且片層方向多樣。對(duì)比軋態(tài)試樣，熱處理試樣的珠光體片層排布方向比軋態(tài)試樣明顯增多。多角度交替排布的珠光體片層加大對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用，使得熱處理態(tài)U75V重軌鋼常規(guī)力學(xué)性能優(yōu)于軋態(tài)。

圖2 U75V重軌鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of U75V heavy rail steel

3 斷裂韌性曲線分析

根據(jù)圖3可知，軋態(tài)試樣的F-V曲線屬于第二種經(jīng)典加載力-裂紋嘴張開位移曲線類型，需要通過拐點(diǎn)來確定FQ，并通過Fmax/FQ≤1.10是否成立來驗(yàn)證FQ是否為有效值；熱處理態(tài)試樣的FV曲線是屬于第三種類型，其中Fmax=FQ，所以不需要確定是否有效。確定FQ為有效值后計(jì)算KQ值，并驗(yàn)證其是否為KQ的有效值，然后將各數(shù)值匯入表2。

表2 U75V重軌鋼斷裂韌性參數(shù)Table 2 Fracture toughness parameters of U75V heavy rail steel

圖3 U75V重軌鋼斷裂韌性F-V曲線Fig.3 Fracture toughness F-V curve rolled sample of U75V heavy rail steel

由表2可以看出，軋態(tài)試樣的斷裂韌性值低于熱處理態(tài)試樣，且軋態(tài)試樣所能承受的最大載荷也明顯低于熱處理態(tài)試樣。通過對(duì)比斷裂韌性KIC值可以肯定，熱處理態(tài)試樣因其組織中出現(xiàn)珠光體團(tuán)簇，且珠光體片層細(xì)密，其裂紋擴(kuò)展受到較大的阻礙作用，導(dǎo)致斷裂韌性高于軋態(tài)試樣，這也是熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率小于軋態(tài)試樣的原因。

3.1 斷口分析

U75V重軌鋼宏觀斷口形貌如圖4所示。觀察圖4可知，軋態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣的斷口表面平整，軋態(tài)試樣的斷口表面更明亮，說明軋態(tài)試樣晶粒較大。由此說明，軋態(tài)試樣韌性低于熱處理態(tài)。

圖4 U75V重軌鋼斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture surface of U75V heavy rail steel

軋態(tài)試樣斷口中有大量解理臺(tái)階和河流花樣，同時(shí)存在微裂紋，斷口呈顯著的解理斷裂特征（圖5a）。熱處理態(tài)試樣斷口中同樣存在大量解理臺(tái)階與河流花樣，但相對(duì)于軋態(tài)試樣，熱處理態(tài)的解理臺(tái)階體積較小，說明熱處理態(tài)試樣的晶粒尺寸較小，而且局部位置存在韌窩，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱，斷口呈現(xiàn)出顯著的準(zhǔn)解理斷裂特征（圖5b）。

圖5 U75V重軌鋼斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of fracture surface of U75V heavy rail steel

3.2 斷裂韌性與裂紋張開位移

圖6、圖7分別為軋態(tài)和熱處理態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性應(yīng)變測(cè)試圖。由圖6可知，軋態(tài)試樣在0～100 s時(shí)，表面應(yīng)變沒有明顯變化；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行100～200 s時(shí)，因載荷增加，試樣表面應(yīng)變出現(xiàn)明顯變化，試樣從彈性變形到塑性變形，直至斷裂。由圖7可知，熱處理態(tài)試樣在0～120 s時(shí)，表面應(yīng)變沒有明顯變化；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至120～200 s時(shí)，表面應(yīng)變劇增，說明熱處理態(tài)比軋態(tài)更晚進(jìn)入從彈性變形到塑性變形，直至斷裂的過程。

圖6 軋態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性試樣不同時(shí)間X方向應(yīng)變圖Fig.6 X-direction strain diagram of fracture toughness sample of rolled U75V heavy rail steel at different times

圖7 熱處理態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性試樣不同時(shí)間X方向應(yīng)變圖Fig.7 X-direction strain diagram of fracture toughness specimen of heat-treated U75V heavy rail steel at different time

表3是U75V重軌鋼斷裂韌性試驗(yàn)的表面應(yīng)變值。由表3可知，在試驗(yàn)進(jìn)行至120 s時(shí)，軋態(tài)應(yīng)變值開始變化，呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，此時(shí)軋態(tài)應(yīng)變高于熱處理態(tài)，差值為0.1365 mm；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至160 s時(shí)，軋態(tài)、熱處理態(tài)應(yīng)變值接近，此時(shí)軋態(tài)應(yīng)變值低于熱處理態(tài)，差值為0.1227 mm；之后，軋態(tài)、熱處理態(tài)應(yīng)變值增加程度相似，在160～180 s時(shí)，軋態(tài)增長(zhǎng)0.0304 mm，而熱處理態(tài)增長(zhǎng)0.5050 mm。熱處理態(tài)增長(zhǎng)量遠(yuǎn)超軋態(tài)；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至200 s時(shí)，試樣斷裂，軋態(tài)、熱處理態(tài)應(yīng)變值相近?？傮w來說，熱處理態(tài)U75V重軌鋼的斷裂要比軋態(tài)滯后，說明熱處理態(tài)U75V重軌鋼的斷裂韌性要大于軋態(tài)，與所測(cè)結(jié)果一致。

表3 U75V重軌鋼斷裂韌性試樣表面應(yīng)變Table 3 Surface strain of fracture toughness and toughness specimen of U75V heavy rail steelmm

4 結(jié)論

1）熱處理態(tài)U75V重軌鋼的KIC為45.122 MPa·m1/2，軋態(tài)KIC為42.048 MPa·m1/2。軋態(tài)試樣珠光體片層間距平均為272.2 nm，而熱處理態(tài)試樣珠光體片層間距平均為148.4 nm。熱處理態(tài)U75V重軌鋼因其珠光體團(tuán)簇且片層間距較小，阻礙裂紋擴(kuò)展，對(duì)提高斷裂韌性起積極作用。

2）軋態(tài)U75V重軌鋼彎曲斷口中出現(xiàn)大量解理臺(tái)階和河流花樣，同時(shí)在斷口中存在微裂紋，斷口呈解理斷裂特征。熱處理態(tài)U75V重軌鋼的解理臺(tái)階體積較小，且局部位置存在韌窩，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱，斷口呈準(zhǔn)解理斷裂特征。

3）軋態(tài)、熱處理態(tài)U75V重軌鋼三點(diǎn)彎曲斷裂韌性試樣表面應(yīng)變與裂紋張開位移變化規(guī)律相似，但熱處理態(tài)U75V重軌鋼從彈性變形到塑性變形比軋態(tài)滯后。