CN114908297A - 一种降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于抗疲劳性钢轨技术领域，本发明提供了一种降低贝马复相重轨钢疲劳裂纹扩展速率的方法，包含如下步骤：对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；在淬火工艺基础上进一步对贝马复相重轨钢进行回火处理后冷却；所述回火处理的温度为260～380℃，回火处理的时间为3～5h。本发明还提供了上述方法得到的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。本发明的方法增加了回火工艺，通过控制回火温度和回火时间，一方面降低钢轨残余应力，防止其开裂；另一方面通过回火工艺促进块状残余奥氏体分解为组织较为稳定的薄膜状残余奥氏体，促进较大块状马氏体分解，从而降低疲劳裂纹扩展速率，延长其使用寿命。

Description

一种降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢及其方法
技术领域
本发明涉及抗疲劳性钢轨技术领域,尤其涉及一种降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢及其方法。
背景技术
伴随着铁路高速重载的快速发展，对具有优异的耐磨及抗疲劳性能的钢轨的需求将越来越迫切。近年来，铁路提速后钢轨的伤损明显加剧，并以踏面斜裂纹、隐伤等新的滚动接触疲劳伤损形式呈现。因此，开展如何降低贝氏体钢轨疲劳裂纹速率的研究具有十分重要的意义。
专利申请号为201710933923.6的《抗接触疲劳珠光体钢轨及其制造方法》针对现有技术制备珠光体钢轨轨头断面性能不均匀，得到的珠光体钢轨性能不佳、抗接触疲劳性能低的问题，提供了一种抗接触疲劳较好的珠光体钢轨的制造方法。但珠光体钢轨相比于贝氏体钢轨韧性较差，相同强度情况下难以满足强韧性要求。专利申请号为201710464848.3的《一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法》公开了一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，具体包括控制冶炼脱氧精炼炉渣的渣碱度，炉渣夹杂物控制在钙斜长石的塑性区域，以及在塑性变形中采用液芯压下工艺得到铸坯，控制铸坯等轴晶率等手段。通过上述工艺控制夹杂物成分以及大小形成细小的全等轴晶连铸、降低中心偏析，生产出强度高，疲劳扩展速率符合生产要求的贝氏体钢轨。但此专利中未深入研究回火工艺对钢轨组织形态及其疲劳性能的影响。
贝氏体钢轨的研究中发现：下贝氏体/马氏体复相组织可以改善钢的抗疲劳性能，而上贝氏体/马氏体混合组织恶化钢的抗疲劳性能，同时贝氏体钢中马氏体的大小以及残余奥氏体的组织形态对钢轨的抗疲劳性能影响较大。在《贝氏体回火实验研究中》涉及低温回火降低残余应力，且在保持贝氏体钢轨高强度、高硬度的同时可以明显改善其韧性。但回火对于贝氏体的抗疲劳性能的影响目前还未进行深入研究，回火工艺对组织以及疲劳裂纹扩展速率缺乏相关深入研究。
因此，研究一种能够精准控制钢轨组织形态和各相含量，并且提高强度和韧性，降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢，具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢及其方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种降低贝马复相重轨钢疲劳裂纹扩展速率的方法，包含如下步骤：
1)对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；
2)对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；
3)对贝马复相重轨钢进行回火处理后冷却；
步骤3)所述回火处理的温度为260～380℃，回火处理的时间为3～5h。
作为优选，步骤1)所述轧制钢轨包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15～0.25％，Si 0.7～1.5％，Mn 1.6～2.6％，Cr、Ni和Mo的总量为1.37～2.9％，杂质≤0.03％，余量为Fe。
作为优选，步骤1)所述轧制钢轨的温度为900～950℃，相变前钢轨的温度为400～450℃。
作为优选，步骤1)所述冷却的速率为0.5～3℃/s。
作为优选，步骤2)中，所述冷却包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却；相变后温度为190～210℃。
作为优选，相变前温度降至相变后温度的冷却速率为0.1～1℃/s；相变后温度降至室温的冷却方式为空冷。
作为优选，步骤3)所述冷却的方式为自然冷却。
本发明还提供了一种所述的制备方法制备得到的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
本发明的有益效果包括：
1)本发明的方法通过控制钢轨淬火过程中相变前阶段和相变阶段的冷却速率，一方面避免上贝氏体和粒状贝氏体组织的形成，另一方面控制贝马复相重轨钢中贝氏体、马氏体和残余奥氏体的定量化比例，得到一种下贝氏体-马氏体复合相组织，从而提高贝马复相重轨钢的抗接触疲劳性等力学性能。
2)本发明的方法增加了回火工艺，通过控制回火温度和回火时间，一方面降低钢轨残余应力，防止其开裂；另一方面通过回火工艺促进块状残余奥氏体分解为组织较为稳定的薄膜状残余奥氏体，促进较大块状马氏体分解，从而降低疲劳裂纹扩展速率；经检测，本发明的贝马复相重轨钢疲劳裂纹扩展速率控制在6～9m/Gc(△K＝10MPa·m0.5)和14～19m/Gc(△K＝13.5MPa·m0.5)，提高钢轨的使用寿命。
3)本发明的方法得到的贝马复相重轨钢更能满足高速重载铁路的要求，为铁路运输和经济发展带来便利。
附图说明
图1为实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的SEM组织图，其中，a为对比例1，b为实施例1；
图2为实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的抗疲劳扩展的a-N曲线；
图3为实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的疲劳裂纹扩展速率图；
图4为实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的疲劳断口形貌图，其中，a，b，c图对应对比例1在应力强度因子ΔK＝10MPa·m0.5、应力强度因子ΔK＝13.5MPa·m0.5、疲劳断裂末端三个位置的微观断口形貌，d，e，f图为实施例1在应力强度因子ΔK＝10MPa·m0.5、应力强度因子ΔK＝13.5MPa·m0.5、疲劳断裂末端三个位置的微观断口形貌。
具体实施方式
本发明提供了一种降低贝马复相重轨钢疲劳裂纹扩展速率的方法，包含如下步骤：
1)对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；
2)对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；
3)对贝马复相重轨钢进行回火处理后冷却；
步骤3)所述回火处理的温度为260～380℃，回火处理的时间为3～5h。
本发明步骤1)所述轧制钢轨优选包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15～0.25％，Si 0.7～1.5％，Mn 1.6～2.6％，Cr、Ni和Mo的总量为1.37～2.9％，杂质≤0.03％，余量为Fe；进一步优选包含如下质量百分数的元素成分：C 0.16～0.23％，Si 0.9～1.2％，Mn 1.8～2.4％，Cr、Ni和Mo的总量为1.5～2.4％，杂质≤0.02％，余量为Fe；更优选包含如下质量百分数的元素成分：C 0.18～0.2％，Si 1～1.1％，Mn 1.9～2.2％，Cr、Ni和Mo的总量为1.9～2.2％，杂质≤0.01％，余量为Fe。
本发明步骤1)所述轧制钢轨的温度优选为900～950℃，进一步优选为910～940℃，更优选为920～930℃；相变前钢轨的温度优选为400～450℃，进一步优选为410～440℃，更优选为420～430℃。
本发明步骤1)所述冷却的速率优选为0.5～3℃/s，进一步优选为1～2.5℃/s，更优选为1.5～2℃/s。
本发明步骤1)的相变前阶段的冷却用来抑制铁素体的形成和析出，避免氢脆现象，通过控制相变前阶段的冷却速率一方面避免上贝氏体和粒状贝氏体的形成，另一方面由于相变过程中马氏体生长速率远远高于贝氏体生长速率，通过控制相变前阶段的冷却速率能够防止奥氏体向马氏体组织转变，用以改变贝氏体开始转变的时间，改善贝马复相钢组织的构成，从而得到较好的板条状贝氏体组织。本发明相变前阶段的冷却速率能够降低钢轨脆性，防止贝氏体相变时间过短使组织直接转变为马氏体。
本发明步骤2)中，所述冷却优选包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却；相变前温度降至相变后温度的冷却为相变阶段的冷却，相变后温度降至室温的冷却为相变后阶段的冷却。
本发明步骤2)中，相变后温度优选为190～210℃，进一步优选为195～205℃，更优选为200℃；室温优选为15～35℃，进一步优选为20～30℃，更优选为23～27℃；相变前温度为步骤1)中相变前钢轨的温度。
本发明中，相变前温度降至相变后温度的冷却速率优选为0.1～1℃/s，进一步优选为0.3～0.7℃/s，更优选为0.4～0.5℃/s；相变后温度降至室温的冷却方式优选为空冷。
本发明步骤2)相变阶段的冷却速率能够合理控制贝氏体转变时间，一方面影响贝氏体板条形核长大过程从而得到较好的贝氏体板条，另一方面控制贝氏体转变的时间和贝氏体转变的含量，提升贝氏体含量，有利于钢轨韧性的提高。相变阶段的冷却速率过快，贝氏体转变时间短，贝氏体转变量少，从而使马氏体和残余奥氏体过多，易使脆性增大；冷却速率过慢，贝氏体转变时间过长，则贝氏体板条过于粗大，对强度不利，且易先形成粒状贝氏体。
本发明相变阶段的冷却速率能够避免产生上贝氏体和粒状贝氏体等有害组织，有利于精准控制贝马复相重轨钢中贝氏体、马氏体和残余奥氏体的含量，从而得到一种高强度、高韧性的板条状下贝氏体和板条状马氏体相配合的贝马复相重轨钢。
本发明步骤3)所述回火处理的温度为260～380℃，优选为280～350℃，进一步优选为300～340℃，更优选为300～320℃；回火处理的时间为3～5h，优选为3.5～4.5h，进一步优选为4h。
本发明中，优选采用盐浴炉控制回火处理的温度。
本发明步骤3)中，回火处理后优选冷却至室温，冷却的方式优选为自然冷却；所述室温优选为15～35℃，进一步优选为20～30℃，更优选为23～27℃。
本发明在淬火热处理的基础上，进一步对钢轨进行回火处理，通过控制不同的回火温度来控制贝马复相钢组织的转变，回火过程一方面降低残余应力，从而防止钢轨变形或开裂，另一方面促进残余奥氏体分解，形成韧性较好的薄膜状残余奥氏体以及回火马氏体，极大的改善贝氏体重轨钢的韧性，也能够极大降低其疲劳裂纹扩展速率。
本发明还提供了一种所述的制备方法制备得到的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
本发明的贝马复相重轨钢显著降低了疲劳裂纹扩展速率，并且高强韧组织能够定量化控制。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
轧制钢轨中，元素质量百分数为C 0.2％、Si 1.1％、Mn 2％、Cr、Ni和Mo的总量为2.2％、杂质为0.02％、余量为Fe。
将尺寸为13mm×13mm×80mm的轧制钢轨以1.8℃/s的冷却速率由930℃降温至430℃，再以0.5℃/s的冷却速率由430℃降温至200℃，最后采用自由空冷的方式降温至25℃，得到淬火热处理的贝马复相重轨钢。
对淬火热处理的贝马复相重轨钢在300℃下回火处理4h，然后自然冷却至室温，得到降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
实施例2
轧制钢轨中，元素质量百分数为C 0.18％、Si 0.9％、Mn 1.8％、Cr、Ni和Mo的总量为1.8％、杂质为0.02％、余量为Fe。
将尺寸为13mm×13mm×80mm的轧制钢轨以1℃/s的冷却速率由900℃降温至400℃，再以0.15℃/s的冷却速率由400℃降温至195℃，最后采用自由空冷的方式降温至20℃，得到淬火热处理的贝马复相重轨钢。
对淬火热处理的贝马复相重轨钢在280℃下回火处理5h，然后自然冷却至室温，得到降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
实施例3
轧制钢轨中，元素质量百分数为C 0.22％、Si 1.3％、Mn 2.2％、Cr、Ni和Mo的总量为2.5％、杂质为0.02％、余量为Fe。
将尺寸为13mm×13mm×80mm的轧制钢轨以2.2℃/s的冷却速率由940℃降温至440℃，再以0.8℃/s的冷却速率由440℃降温至205℃，最后采用自由空冷的方式降温至30℃，得到淬火热处理的贝马复相重轨钢。
对淬火热处理的贝马复相重轨钢在340℃下回火处理3h，然后自然冷却至室温，得到降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
对比例1
本对比例的贝马复相重轨钢采用常规热轧态方法(未经过淬火和回火处理)制备得到。
本发明实施例1～3的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢为板条状下贝氏体和板条状马氏体的钢轨组织，贝马复相重轨钢的疲劳裂纹扩展速率显著下降。
对实施例1～3的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的相成分进行测试，测试结果为：实施例1的贝马复相重轨钢中马氏体含量为20～25％，奥氏体含量为5～10％，贝氏体含量为65～75％；实施例2的贝马复相重轨钢中马氏体含量为14～20％，奥氏体含量为6～10％，贝氏体含量为70～80％；实施例3的贝马复相重轨钢中马氏体含量为28～37％，奥氏体含量为8～17％，贝氏体含量为55～65％；对比例1的贝马复相重轨钢中马氏体含量为10～15％，奥氏体含量为10～15％，贝氏体含量为70～80％。
实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的疲劳裂纹扩展常数C、m值和裂纹扩展速率如表1所示，表1中ΔK＝10为ΔK＝10MPa·m0.5；ΔK＝13.5为ΔK＝13.5MPa·m0.5。
表1不同热处理工艺重轨钢的疲劳裂纹扩展常数和裂纹扩展速率
Figure BDA0003678658810000071
实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的SEM组织如图1所示，其中，a为对比例1，b为实施例1。由图1可知，a图中贝氏体组织以粒状贝氏体为主，贝氏体铁素体较大；而b图中主要为板条状下贝氏体和马氏体组织，板条状的下贝氏体对于钢轨的疲劳性能有利，同时下贝氏体和马氏体复相组织能改善钢轨的强韧性。
实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的抗疲劳扩展的裂纹长度(a)和循环次数(N)曲线如图2所示。由图2可知，经过钢轨疲劳试验测定发现，实施例1中的疲劳循环次数要明显优于对比例1。同时经过对裂纹长度的测定，实施例1疲劳断裂时裂纹总长度高于对比例1，可知在交变载荷作用下，实施例1的重轨钢不易发生脆断。综合分析，实施例1的贝马复相重轨钢对应疲劳性能较佳。
实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的疲劳裂纹扩展速率如图3所示；进一步对疲劳裂纹扩展速率进行实验测定，通过da/dN-ΔK曲线分析实施例1和对比例1的裂纹扩展速率，可知实施例1中随着ΔK的增长，da/dN值增长速率较慢，可知裂纹扩展区扩展速率较小，钢轨的疲劳性能较佳。
实施例1的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢和对比例1的贝马复相重轨钢的疲劳断口形貌如图4所示，其中，a，b，c图对应对比例1在应力强度因子ΔK＝10MPa·m0.5、应力强度因子ΔK＝13.5MPa·m0.5、疲劳断裂末端三个位置的微观断口形貌，d，e，f图为实施例1在应力强度因子ΔK＝10MPa·m0.5、应力强度因子ΔK＝13.5MPa·m0.5、疲劳断裂末端三个位置的微观断口形貌。由图4分析不同工艺ΔK＝10MPa·m0.5对应疲劳断口形貌，图a中断口形貌出现解理断裂形貌以及少量撕裂棱，而图d中出现较多大的撕裂棱，阻碍裂纹扩展。分析不同工艺ΔK＝13.5MPa·m0.5对应疲劳断口形貌，图b中出现二次裂纹，但仍有解理断裂形貌出现，不利于裂纹扩展，图e中以二次裂纹和撕裂棱为主，阻碍裂纹扩展能力强。对疲劳断裂末端断口形貌分析可知，图c中断口形貌主要为解理面，出现韧窝但数量较少，图f中出现较多韧窝，且韧坑较深，不易发生脆性断裂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种降低贝马复相重轨钢疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；
2)对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；
3)对贝马复相重轨钢进行回火处理后冷却；
步骤3)所述回火处理的温度为260～380℃，回火处理的时间为3～5h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述轧制钢轨包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15～0.25％，Si 0.7～1.5％，Mn 1.6～2.6％，Cr、Ni和Mo的总量为1.37～2.9％，杂质≤0.03％，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)所述轧制钢轨的温度为900～950℃，相变前钢轨的温度为400～450℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)所述冷却的速率为0.5～3℃/s。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述冷却包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却；相变后温度为190～210℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相变前温度降至相变后温度的冷却速率为0.1～1℃/s；相变后温度降至室温的冷却方式为空冷。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤3)所述冷却的方式为自然冷却。
8.权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备得到的降低疲劳裂纹扩展速率的贝马复相重轨钢。
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