氢对贝氏体钢辙叉性能影响的研究

氢对贝氏体钢辙叉性能影响的研究氢对贝氏体钢辙叉性能影响的研究 1 1 摘要摘要 利用光学显微镜和扫描电子显微镜 SEM 对服役过的贝氏体钢辙叉磨损表面进行微观结构研 究 并对含氢量不同的的贝氏体钢的拉伸性能进行测定 结果表明 随着氢含量的增加 贝氏体钢 的可塑性和延展性急剧减小 可用于商业运行的贝氏体钢辙叉 其发生氢脆的临界氢含量是 7 10 5wt 当服役中的贝氏体钢辙叉中的氢含量低于临界值时 在服役早期阶段出现磨损 而服役后期 出现疲劳剥落 当氢含量高于临界值时 服役过程中的贝氏体钢辙叉失效主要是由氢致脆性剥落引 起的 近几年来 无碳化物贝氏体钢以其高强度 温和的硬度和良好的韧性等优异性能 吸引了人们 的关注 被视为最具前景的现役高锰钢铁路辙叉替代品之一 在 20 世纪 80 年代 英国 1 首先开发 出代号为 Titan 的辙叉用贝氏体钢 并成功地将其铺设于高速铁路干线上 1996 年 美国开发 出代号 J9 的 Mo B 系贝氏体钢辙叉 2 近年来 关于无碳化物贝氏体钢有了一些研究 3 5 到现 在为止 许多投入运行的铁路辙叉也有很多改进 事实上 现在应用的贝氏体钢辙叉都是如表 1 所 示的低碳合金的贝氏体钢 同时 它们一般都是进行 850 950 正火热处理 然后 300 400 回火 这种类型贝氏体钢辙叉同普通铁路辙叉一样 由鼻轨和翼轨两部分组成 如图 1 所示 众所周知 高强度钢易发生氢脆和且随着氢含量的增加其氢脆可能性增大 然而 最近关于钢 铁的氢脆研究大多是针对高碳钢 6 8 而对低碳钢的氢脆研究很少 9 Ahlden 和 Mehtola 在有关 钢轨和车轮接触表面的氢脆的研究报道中 指出氢会导致钢轨表面脆性剥落 10 然而 很少有关于 贝氏体钢辙叉氢致脆性的研究 虽然贝氏体钢辙叉有近 30 年的应用历史 但是关于铁路辙叉失效分析方面的文章却寥寥无几 实际上 贝氏体钢辙叉没有在铁路系统广泛应用的主要原因是其容易发生脆裂 因此 有关铁路辙 叉失效机理的研究 对提高辙叉使用寿命和铁路运行安全有着重要的意义 本文对两种服役过的贝氏体钢辙叉的失效进行分析研究 并探讨其失效机理 同时对贝氏体钢 辙叉的氢脆特性进行研究 2 2 实验内容实验内容 1 本实验样品为两种服役过的无碳化物贝氏体钢辙叉鼻轨部件 如图 1 所示 其化学成分见表 2 从表 2 可以看出 这两种试样的化学组成是很相近的 两试样热处理都是 先加热 900 维持恒 温 4 小时后空冷 再进行 350 保温 5 小时回火处理 最后空冷至室温 两种试样辙叉寿命分别是 2 5 108和 0 5 108吨 利用普通拉伸试验机和冲击试验机分别测试两种贝氏体钢辙叉试样的常规机械性能 利用 Mat 数字金相分析仪 AXIOVERT200 和扫描型电镜 SEM KYKY2800 研究辙叉的显微组织结构 为测定两种辙叉用贝氏体钢发生氢脆鋨极限氢含量 采用电解法对试样进行充氢 电解液成分 为 0 5mol H2SO4 200mg L Na3AsO3的混合溶液 充氢电流密度为 10mA cm2 根据充氢时间不同可 以得到不同氢含量试样 试样处理加工成 5 50mm 的光滑圆柱 用惰性气氛熔融法提取样品中的 氢 用气相色谱法测定样品中的氢含量 试验设备为 CQY 2 型氢含量分析仪 在这项研究中 样品 中的氢含量分别为 5 10 5 7 10 5 10 10 5 18 10 5和 23 10 5 wt 为了防止充氢试样中氢的扩散和逸出 采用电镀装置加以保护 并进行 200 烘烤 10 h 均匀化 处理 使氢均匀分布 电镀液的是 98 浓硫酸 50g 干燥 CdSO4 粉末 50g 无水 Na 2 SO4 45g 明胶 6g 苯酚 3g 加蒸馏水至 1000ml 用于电镀的电流密度为 25 mA cm2 样 品作为阳极 镉被用来作为阴极 电镀 5 分钟即可起到防止氢扩散逸出的效果 本实验通过慢应变 速率的方法测定试样用贝氏体钢的氢脆的灵敏度 由于钢氢脆的灵敏度随施加的应变率的下降而升 高 所以为了揭示钢氢脆的灵敏度 拉伸试验种设定应变率分别为 5 6 10 5s 1 2 8 10 4s 1 和 1 7 10 3s 1 2 3 3 结果及分析结果及分析 3 1 贝氏体钢辙叉宏观形态 图 2 展示了贝氏体钢辙叉试样 A 的磨损表面 从图上可以看出 辙叉在早期和晚期阶段的失效 是由磨损和疲劳剥落造成的 这是和高锰钢辙叉失效形式一样 11 3 2 贝氏体钢辙叉常规力学性能 两种贝氏体钢辙叉试样的传统的常规力学性能如表 3 所示 可以看出两试样的屈服强度 拉伸 强度和冲击韧度之间的差别是微小的 但两试样的断面伸长率和断面收缩率数值有明显差异 且试 样 A 的可塑性比试样 B 的好 这表明 虽然这些试样的化学成分和热处理工艺相同 但的不同的辙 叉的可塑性仍可能存在很大差异 由此我们可以得出 试样 B 的断裂原因应该是它的低塑性 3 3 3 贝氏体钢辙叉微观结构 图 3 展示了贝氏体钢辙叉试样 A 和 B 的基体组织 发现这两种贝氏体钢辙叉矩阵都呈现出针状贝 氏体组织 不存在明显的差异 但是 两试样的断口形貌有极大的差异 如图 4 两试样的断口形 貌的延展性和脆性是和它们各自的可塑性性能相吻合的 见表 3 用 SEM 分析两个服役过的贝氏体钢辙叉的横截面 表明两个辙叉的表面是相对光滑的 且没有 明显严重的划痕和褶皱 这也证明贝氏体钢辙叉具有良好的耐磨性 试样 B 表面有许多平行的裂痕 这是典型的脆性开裂 来源于磨损表面 并朝向深层扩展 见图 5 可以确认试样 B 的磨损表面上 的裂痕会在服役过程中不断扩展 最后导致辙叉断裂失效 4 3 4贝氏体钢的氢脆特性 两贝氏体钢辙叉试样的氢含量对其可塑性是有影响的 通过对其氢含量的测定结果表明 试样A 和B中的氢含量分别为5 10 5wt 和11 10 5wt 我们发现 在贝氏体钢锻造后氢并不是以化学态 而是以质子态形式存在的 一些氢与铁形成固溶体 其他一些氢嵌入空缺 位错 边界或微裂纹等 缺陷间隙中 氢由此被隔离开来 这是氢渗透到钢中的机理 12 5 图6展示了贝氏体钢 取自试样A 的氢含量对其断后伸长率和断面收缩率的影响 研究表明 随着氢含量降低 贝氏体钢的伸长率的急剧降低 其充分地表明 贝氏体钢有很强的氢脆敏感性 图7给出了这种贝氏体钢的临界氢含量为7 10 5wt 在临界值以下 贝氏体钢的脆化指数和拉伸变 形率之间没有关系 也就是说 氢导致贝氏体钢脆裂的临界含量可以确定为7 10 5wt 应当指出 试样B的氢的含量是远远超过临界含量的 这也真好使试样B发生脆裂失效的原因 无碳化物贝氏体钢具有高强度 高硬度和较好的韧性 如表3所示 这使其在铁路辙叉方面应 用前景很广阔 然而 高强度贝氏体钢的氢脆敏感性高 当氢的含量超过一个临界值 7 10 5wt 针对辙叉用贝氏体钢 时将发生脆性断裂 例如 在本次研究中使用贝氏体钢辙叉的氢含量 为11 10 5wt 这是远高于临界值的 它的可塑性因此急剧下降 其断面收缩率只有20 如表3 中所示 因此 许多平行脆性裂纹由表及里扩展 导致辙叉脆裂失效 如图5所示 到现在为止 贝 氏体钢辙叉的氢脆特性通常被人们忽视 而这样的氢脆特性可能会导致巨大的灾难 这一点要引起 人们高度注意 6 这种高强度贝氏体钢在工业制造过程中 氢含量很容易超过其临界值 像在本研究中所用的试 样B 例如 在潮湿空气中制造的贝氏体钢中氢含量通常高于在干燥的空气中制造的贝氏体钢 本文 虽然只对两种服役的贝氏体钢辙叉进行了研究 但是 世界上所有用于商业的贝氏体钢都属于这种 高强度低合金的低碳贝氏体钢 如表1中所示 的同种 因此 他们应该有类似的氢脆特性 而且 很可能其氢临界含量也是相同的 因此 迫切需要减小贝氏体钢辙叉的氢脆特性 当氢含量超过临 界值时 要对其进行锻造脱氢热处