钢轨用空冷贝氏体钢性能及组织的研究

本文对所制定的两组成分空冷贝氏体钢的力学性能、显微组织进行了实验室研究.两组钢采用50 kg真空感应电炉冶炼,经锻造、空冷至室温后,加工成所需各种试样.拉伸试验结果表明,试验钢的抗拉强度分别为1 280 MPa,1 337 MPa,塑性指标为16%,强韧性配合明显高于普通及淬火珠光体钢轨钢;U型缺口冲击韧性则分别为20 J*cm-2,46 J*cm-2;第二组成分钢的低温(-20℃)断裂韧性(KIC)为42 MPa m1/2.透射电镜分析表明,两组空冷贝氏体钢中含有铁素体板条以及板条间的残余奥氏体膜,并且可在铁素体板条中观察到贝氏体基元.最后本文认为,所设计的两组空冷贝氏体钢的强韧性配合优于淬火珠光体钢轨钢,可用于制造钢轨及AT尖轨等道岔部件.     

试验用贝氏体钢轨钢连续冷却曲线的测定及组织特征

采用膨胀法,辅以金相法、硬度法测定了2种成分试验贝氏体钢轨钢的连续冷却转变曲线,对不同冷速下获得的金相组织进行观测,同时分析讨论了成分的选择及合金元素的作用。试验表明,1号钢冷却速度在0.3～2℃/s范围内,2号钢冷却速度在0.3～3℃/s范围内,贝氏体钢中得到以贝氏体为主的组织;1号钢、2号钢最佳冷速范围均为0.8～1.5℃/s;当冷速大于4℃/s时,两组钢将得到以板条马氏体为主的组织。     

高强耐磨贝氏体道岔尖轨的研制

在贝氏体钢轨及贝氏体辙叉研究的基础上,通过成分选择、精炼、精轧及稳定化处理,制成60AT贝氏体钢轨,再加工成贝氏体道岔尖轨。通过对60 AT贝氏体钢轨以及异型钢轨性能的检验可知:60 AT贝氏体钢轨以及异型钢轨全断面抗拉强度、屈服强度和伸长率等均达到相关标准规定的要求,并且强韧性配合非常好;贝氏体道岔尖轨强韧性指标明显地优于珠光体道岔尖轨,同时不需要进行淬火处理,就可以保证全断面具有高且均匀的硬度。通过大秦线的铺设试验可知:贝氏体道岔尖轨无严重的剥离掉块等疲劳伤损;耐磨性能相比珠光体尖轨具有明显优势,使用寿命约为珠光体道岔尖轨的2倍。     

重载铁路60kg·m~(-1)贝氏体钢轨试验及应用

为开发适应重载铁路发展和应用的高强高韧高耐磨钢轨,在对60 kg·m~(-1)贝氏体钢轨进行试制的基础上,利用蔡司倒置式光学显微镜、透射电镜及静态液压万能试验机,对钢轨母材和焊接接头的组织性能进行检验,并对钢轨和道岔辙叉翼轨、尖轨进行试铺,系统分析强韧和耐磨性能。结果表明:60 kg·m~(-1)贝氏体钢轨的母材组织均匀,基体为无碳化物贝氏体,存在少量稳定残余奥氏体和M/A组织,硬度较高,耐磨性良好,具有良好的强韧性匹配;焊接接头组织均匀,性能良好;铺设在重载线路曲线段的贝氏体钢轨服役时间达48个月、通过总重近6亿吨时,其使用寿命比珠光体钢轨提高1倍以上,道岔辙叉翼轨和尖轨的使用寿命比U75V钢轨提高3～4倍,且均未出现重伤问题,贝氏体钢轨还具有较强的抗剥离掉块能力。     

基于焊接的UIC900A及U75V钢轨钢的连续冷却特性

模拟钢轨焊接及焊后热处理工况,采用热膨胀方法分别测定UIC900A及U75V钢轨钢的连续冷转变曲线(CCT曲线)。通过对UIC900A及U75V钢轨钢连续冷却特性的分析和比较,结果表明:当模拟焊接的奥氏体化温度为1 300℃和冷却速度小于1.5℃.s-1时,这2种钢轨钢的组织均为珠光体,并且在正常情况下焊接后直接空冷也都不会出现马氏体组织,这时UIC900A和U75V钢轨钢的硬度分别达到329 HV和354 HV;当模拟焊后热处理的奥氏体化温度为900℃和冷却速度为0.5℃.s-1时,这2种钢轨钢的硬度均为300 HV左右。UIC900A钢轨钢可直接空冷,U75V钢轨钢则需用冷却速度为1~2℃.s-1的喷风软淬火,以使其硬度达到320~350 HV左右。     

辙叉用贝氏体钢的研究进展

辙叉是铁路轨道结构的关键部件之一,在使用过程中受到巨大的交变冲击载荷和接触应力作用,易产生疲劳裂纹,导致剥离掉块等伤损。传统的高锰钢辙叉存在内部铸造缺陷,焊接性差,平均使用寿命约7 000万～8 000万t,不能满足我国铁路高速化、重载化的发展要求。贝氏体钢具有良好的强韧性、耐磨性和抗接触疲劳性,是制造辙叉的理想材料之一。文章系统地总结了国内外辙叉用贝氏体钢的研究现状和发展趋势。英国铁路辙叉以提高冲击韧性为主;美国境内铁路以重载为主,因此着重提高钢轨的强度和硬度,要求其具有高耐磨性;日本的贝氏体钢轨含C量约0. 20%～0. 55%;我国自20世纪90年代开始研究贝氏体钢辙叉,目前贝氏体钢辙叉的平均寿命已突破1亿t。     

抗黑斑贝氏体钢轨的开发

贝氏体钢轨的研究和开发结果表明，这种新型的钢轨通过适当地加快磨耗可消除接触疲劳层及可能出现的损伤。鉴于此，我们提出贝氏体钢作为最适宜的等级纲，以防止早期出现的黑斑，延长钢轨的使用寿命。为消除轨头焊接处出现的不平顺，根据磨耗量及轨头检测的结果以及在制造过程中允许的硬度分布，经贝氏体钢钢轨的现场试验结果证实，新型钢轨应用的最合适硬度为260--295HV。在获得的试验结果的基础上，我们提出了贝氏体钢钢轨的技术规范。现场铺轨试验证明，虽然贝氏体钢轨的焊接比标准的炭钢钢轨的焊接要困难些，其焊接仍可达到实际应用的特性要求。     

贝氏体钢轨在道岔中的应用与加工研究

对贝氏体钢轨组织及性能的稳定性等进行了全面的分析,重点对贝氏体钢轨的化学成分、机械性能、金相组织、氢氧含量、拉伸及冲击、硬度和实物疲劳方面进行研究,对高强度低碳贝氏体钢尖轨的跟端锻造、热处理方法等关键的工艺过程进行了研究。通过对同蒲和大秦重载线上道的试验结果证明,贝氏体钢尖轨轨头各项性能指标明显优于珠光体钢尖轨,贝氏体钢尖轨的使用寿命比原来铺设的珠光体钢尖轨提高3倍。由此可见,贝氏体尖轨是道岔尖轨的发展方向。     

锰对贝氏体车轮钢组织和力学性能的影响

采用JMatPro软件模拟碳、锰、硅主要合金元素含量(质量分数)的改变对试验钢连续冷却转变曲线和贝氏体等温转变曲线的影响;通过小炉冶炼钢试验,研究锰含量分别为1.5%,1.7%,2.0%和2.2%时对贝氏体车轮钢的组织和力学性能的影响,并与锰含量为2.0%的实物贝氏体车轮进行对比验证。结果表明:锰对抑制高温相变、降低贝氏体转变温度和提高车轮钢的淬透性有显著作用;锰含量高于2.0%时,贝氏体车轮钢自高温空冷过程中可以避免先共析铁素体的出现,且韧性大幅提升;随着锰含量的提高,部分贝氏体组织由粒状贝氏体变为板条贝氏体,强度增大;贝氏体车轮钢理想的锰含量为2.0%左右,实物贝氏体车轮轮辋冷速较慢的芯部未出现先共析铁素体,综合力学性能良好且显著优于现有ER8珠光体车轮,具备一定的实际应用前景。     

“高强韧性贝氏体钢轨研究”日前通过铁道部阶段成果评审

铁道科学研究院和鞍山钢铁公司合作开展的“高强韧性贝氏体钢轨研究”项目 ,于 2 0 0 3年 7月 10日在鞍山通过了铁道部科技司主持的阶段成果审查。国外在 2 0世纪 80年代就开始了贝氏体钢轨的研究工作 ,并相继进行了试铺试验 ,试验表明 ,贝氏体钢轨具有优良的耐磨和耐表面伤损性能 ,被誉为“2 1世纪的钢轨”。 2 0 0 0年 ,我国首次开展对贝氏体钢轨的研究。项目组成员在查阅国外相关研究资料的基础上 ,确定了贝氏体钢轨的成分配方 ,并进行了工业性试验。 2 0 0 2年初 ,鞍钢新轧钢公司用 90t转炉冶炼 2炉 ,轧成贝氏体钢轨 ,在初步性能检验的…     

不同强度等级珠光体钢轨韧性指标对比分析

对珠光体钢轨的强度和韧性指标进行了统计分析,并对其韧性指标的影响因素进行了讨论。结果表明:随着钢轨含碳量和合金元素加入量的增加,钢轨的强度逐渐提高,韧性指标逐渐降低;钢轨的冲击韧性主要由其原奥氏体晶粒尺寸决定,细化晶粒可以改善韧性,夹杂物、成分偏析和缩松等缺陷会使钢轨的冲击韧性显著降低;断裂韧性指标与钢轨的化学成分和组织结构密切相关,强度等级1 080 MPa级及以上的U78Cr V热轧钢轨的断裂韧性较低,建议热处理后使用;细化奥氏体晶粒及减少珠光体钢轨的夹杂物、成分偏析和缩松可提高钢轨的韧性。建议加快强度韧性配合优良的贝氏体钢轨的开发及应用。     

贝氏体钢轨母材轨头核伤原因分析

通过断口宏观与微观形貌观察、扫描电镜及能谱分析、金相显微组织分析等方式对3根贝氏体钢轨母材轨头核伤的原因予以分析,发现伤损均为氢致裂纹引起的轨头内部横裂型核伤。断口中心区域存在粗大的非金属夹杂物是导致钢轨中的氢在此处富集并形成裂纹的主要原因。贝氏体钢轨氢致裂纹型核伤的主要特征有:伤损位于轨头内部踏面下方4~10 mm处,断口中部存在粗大夹杂物;断口附近的低倍样中观察不到微细裂纹。通过采取改进生产工艺、降低钢中的氢含量(将钢水氢含量控制在1.7×10^-6以下)、减少钢中的粗大夹杂物等措施,再上线的贝氏体钢轨未出现该类伤损。     

t_(8/5)对BWELDY700QL4高强钢焊接接头过热区组织性能的影响

通过小铁研抗裂性试验、焊接热模拟试验、冲击试验、硬度试验和金相显微组织分析,研究了t_(8/5)对BWELD700QL4低合金高强钢焊接接头过热区组织和性能的影响。结果表明:BWELD700QL4低合金高强钢抗裂性较差,焊接时需要适当预热;当t_(8/5)为7.2～13.0 s时,其过热区的组织均为板条马氏体,t_(8/5)对硬度影响不大。     

滑差对贝氏体钢轨材料磨损行为的影响

通过对磨试验研究接触应力相同时贝氏体钢轨的磨损率、表面粗糙度、硬度,并结合扫描电镜观测到的磨损表面和剖面的形貌特征,分析不同滑差条件下贝氏体钢轨的磨损行为特征和变化规律.结果表明:接触应力为500 MPa条件下,贝氏体钢轨磨损率随滑差的增大而显著增大,滑差由2%增大到10%时磨损率增大了8倍;小滑差条件下的贝氏体钢轨表面较光滑,有少量疲劳裂纹,以滚动接触疲劳磨损为主;大滑差条件下表面粗糙,有疲劳裂纹、剥落坑和表面划擦痕迹,更接近滑动磨损;增大滑差可导致磨损表面加工硬化率偏大;增大滑差对贝氏体钢轨表面的滚动接触疲劳裂纹在深度方向的扩展几乎无影响,且对塑性变形层厚度影响不明显;大滑差可引发亚表面次表层裂纹.     

成套焊接工艺下贝氏体钢轨接头组织及性能研究

采用交叉试验的方法制备无碳化物贝氏体钢轨固定式闪光焊接头,对不同工艺条件下钢轨正向载荷敏感区域的金相组织进行观察分析,对贝氏体钢轨焊接过程中合金元素的迁移以及焊接缺陷的出现做出解释,并测定不同工艺条件下接头的拉伸、冲击、硬度性能。结果表明:不同工艺条件下焊缝过热区均由于合金元素迁移出现块状马氏体组织及带状组织;正火工艺后焊缝组织为仿晶界型先共析铁素体+粒状贝氏体相结构,拉伸、冲击性能均有提高,但过热区贝氏体局部重构导致白色微区、带状组织在过热区的体积百分数及分布范围增大;金相视野内焊后及正火后接头喷风工艺令白色微区、带状组织体积分布范围增大。     

贝氏体钢轨闪光焊接技术的研究

贝氏体钢轨闪光焊的焊接性与材质中Mn和Si含量成反比,降低Mn和Si含量有利于改善钢轨的焊接性,提高焊缝韧性和接头落锤强度。贝氏体钢轨焊缝及热影响区出现的主要缺陷为过热区带状成分偏析、过热区奥氏体晶界成分偏析和焊缝夹杂物(灰斑)缺陷,并与Mn含量密切相关,这些缺陷对接头韧性会产生较大的负面影响。但贝氏体钢轨总体力学性能与珠光体钢轨相当,其中接头拉伸强度、硬度和疲劳强度高于珠光体钢轨。贝氏体钢轨焊接热影响区空冷处理后出现马氏体组织是造成焊缝和过热区存在较高残余应力的主要原因,该残余应力降低了接头的滚动接触疲劳强度,使得部分接头容易出现焊缝水平裂纹。对接头进行500℃,3～5 min的回火热处理可以降低残余应力。现场应用表明,完善回火工艺可大幅度降低焊缝水平裂纹的出现。     

高温电加热处理对贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头组织与性能的影响

通过静弯、拉伸、冲击、金相和硬度试验,对高温电加热处理前后贝氏体钢辙叉与U75V钢轨闪光对焊接头的组织和性能进行了研究。研究结果表明:高温电加热处理对焊接接头组织和硬度均匀化有良好的作用,且经过热处理后焊接接头的拉伸和冲击性能均得到一定程度改善,满足标准要求,特别是冲击性能得到了显著提高。     

30t轴重重载铁路钢轨轨型和材质对比试验

在某重载铁路铺设不同轨型、不同廓形、不同材质计8种组合的钢轨,通过实测和仿真,从轮轨接触几何关系、轨道结构动力学、货车动力学性能和钢轨使用性能等方面进行对比试验,对钢轨的廓形、轨型、材质进行分析和比选,提出30t轴重重载铁路的用轨策略。结果表明:与标准型面LM车轮接触时,60钢轨的轮轨接触光带偏向于轨距角一侧,60N和75N钢轨的则移向踏面中心部位,且轮轨接触应力显著降低;与实测廓形60,60N和75N钢轨接触时,车轮的等效锥度分别为与标准廓形75N钢轨接触的1.35~1.5,0.77~0.86和0.94~1倍;在8 000和12 000t载重条件下,60N和75N钢轨对轨道结构动力学指标的影响基本相当,60钢轨最大;3种廓形钢轨对货车动力学指标的影响不显著。建议在30t轴重重载铁路上,选用轨型为75kg·m~(-1)、廓形为75N的钢轨,在直线线路上铺设980 MPa级及以上、曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上强度等级的钢轨,在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。     

钢轨磨损量与摩擦功关系研究

研究目的:通过JD-1轮轨模拟试验机考察了轴重和曲线半径对钢轨磨损量的影响;利用CONTACT程序分析了相同工况下轴重和曲线半径对轮轨摩擦功的影响。研究结论:结合试验与计算结果,对钢轨磨损量与摩擦功之间的关系进行了研究,初步得出了利用摩擦功模拟计算钢轨试样磨损量的经验公式:w=(-0.014 46((R/800)t)~(1/2)+0.53324R/800)W,结果对实验室研究钢轨滚动接触磨损有一定的参考价值。     

印度理工学院铁路研究中心开展的研究活动(续完)

正4铁路基础设施研究4.1轨道用贝氏体钢冶金、机械和化工学院的研究人员正在研究经过热处理的高强度贝氏体钢轨道。该部门主要兴趣是研究金属和合金中工艺、微结构和机械性能的相关性。目前印度铁路公司采用IRS T-12规定的不同等级的珠光体轨道钢(约880 MPa UTS级轨道,需要采用铝热焊或闪光对接焊工艺)。磨损和轨道断裂是既有材料存在的严重问题。印度铁路公司轨道很多基本轨和轨道焊接接头故障是由于延展性、韧性和可焊接