贝氏体钢轨组织性能研究

陈昕鞍钢股份有限公司技术中心 贝氏体钢轨组织性能研究 前言 国外贝氏体钢轨的研究已经经历了数十年 国内只是在近几年才引起钢轨生产厂家及铁路部门的重视 并在铁路辙叉叉心的生产和使用上积累了丰富的经验经过多年研究 国内外基本形成共识 贝氏体钢轨为解决钢轨的滚动接触疲劳问题带来希望 但耐磨性能不尽如人意开发耐磨及耐接触疲劳性能都优异的贝氏体钢轨 贝氏体钢轨组织及力学性能研究贝氏体钢轨的残余应力及其研究贝氏体钢轨在即有铁路上应用 化学成分 C Si Mn Mo合金系钢轨组织研究组织 无碳化物贝氏体透射电子显微镜观察 贝氏铁素体 M A 岛 贝氏铁素体大多呈板条特征 所占比例在80 以上 利用薄膜法和萃取复型的方法观察 均未发现任何形式的碳化物 场发射透射电镜FEM TEM JEM 2010F 观察 板条之间的组织形貌及衍射花样 确认板条之间的组织是残余奥氏体 1 贝氏体钢轨组织及力学性能研究 轨头金相组织轨头贝氏铁素体形貌轨头贝氏铁素体形貌 选区电子衍射花样及标定 采用磁性法定量分析钢轨组织中的残余奥氏体量 试样经3 塑性变形后残余奥氏体含量比拉伸前减少了3 说明未变形组织中20 的残余奥氏体发生了转变 钢轨的特点 强度级别达到淬火珠光体钢轨的水平 屈强比较高 强韧性匹配比较好 韧塑性优于珠光体钢轨 贝氏体钢轨性能指标 钢轨力学性能 贝氏体钢轨室温强韧性达到了较高的水平在 20 40 的环境中仍保持着较高的韧塑性 且拉伸强度有所提高 40 冲击韧性比热处理珠光体钢轨的室温冲击韧性 约20J 有很大提高贝氏体钢轨的硬度达到了热处理珠光体钢轨的水平 贝氏体钢轨断裂力学性能 20 断裂韧性满足贝氏体钢轨KIC 40MPam1 2的要求 贝氏体钢轨残余应力的检定部位为轨底中心 轨底中心的残余拉应力最高达350MPa 超过了现行珠光体钢轨技术条件的要求 2 贝氏体钢轨的残余应力及其研究 控制贝氏体钢轨矫前弯曲度的研究降低贝氏体钢轨的矫前弯曲度 贝氏体钢轨的残余应力并没有明显降低落锤性能的研究残余应力对贝氏体钢轨的落锤性能未造成影响 模拟钢轨轨底疲劳受力状态的研究试验条件 疲劳交变应力为 280MPa 350MPa试验温度 40 经500万次试验试验结果 试样完好无损试验后进行的残余奥氏体检验表明 残余奥氏体量与试验前相比基本未发生转变贝氏体钢轨在铁路营运状态下组织中残余奥氏体基本能够保持稳定 铁科院相关研究铁科院就所掌握的有关残余应力的资料对贝氏体钢轨与普通珠光体钢轨进行了较全面的 客观的分析结论是 贝氏体钢轨的强韧性及疲劳性能明显优于珠光体钢轨 有益地补偿了较高的残余应力 贝氏体钢轨不会产生轨腰劈裂 钢轨试铺的研究贝氏体钢轨在既有铁路线路上试铺运营至今未发现由于残余应力而引起的钢轨失效现象 3 贝氏体钢轨在即有铁路上应用 沈阳铁路局焊接以后在沈山线 客货混运 年通过总重约1亿吨 上试铺 铺设了两个试验段 曲线半径分别为950m 600m 其中一个试验段已经过了2年8个月的考验 两个冬季 最低环境温度达 25 该区间由于大修换轨已经下道 计划再次铺设使用 另一个试验段的钢轨仍在使用 现阶段观测结果该路况条件下 贝氏体钢轨踏面光洁 以手接触无刺感 未出现剥离掉块和严重斜裂纹等疲劳伤损 与珠光体热处理钢轨相比 贝氏体钢轨具有更好的抗剥离掉块及耐磨性能 试铺钢轨焊接接头表现良好 使用至今未出现伤损 说明焊接质量良好 焊接工艺及接头性能比较稳定 该路段贝氏体钢轨的试铺和观测还将继续 线路上的贝氏体钢轨线路上贝氏体钢轨焊接接头 哈局齐齐哈尔工务机械厂2005年底开始采用鞍钢生产的贝氏体钢轨加工锻焊辙叉翼轨 现场观测表明 用贝氏体钢轨加工翼轨的锻焊辙叉 翼轨的耐磨性能明显提高 由于翼轨耐磨性的提高 有效减缓了叉心的磨损 使辙叉的整体寿命明显提高 该厂最早生产的第一批两组辙叉经1年半的铺设试验时 通过总重已达1 6亿吨 当时专家预计还能使用12个月 即预计使用寿命可达两年半 过去同一地点的锰钢辙叉一年内要更换3 4次 哈局工务处决定推广这种辙叉 截止2007年8月该厂已生产贝氏体翼轨锻焊辙叉400余组 除供局内使用外还销往其它铁路局 4 讨论 钢轨组织及性能的稳定性直接影响到钢轨的使用安全 应引起我们足够的重视鞍钢生产的贝氏体钢轨采用无碳化物贝氏体组织的合金设计方案 贝氏体组织中含有残余奥氏体当残余奥氏体不稳定时很容易诱发马氏体转变致使钢轨的韧塑性明显降低稳定的残余奥氏体会使钢轨的韧塑性达到较高的水平实现良好的强韧性匹配 贝氏体钢轨的组织中未发现碳化物 是无碳化物贝氏体 其中板条状贝氏铁素体占80 以上 使分布在板条之间的残余奥氏体的稳定性得到加强 因此保证了钢的组织性能稳定性钢轨中残余奥氏体稳定性的研究分析表明 在比较苛刻的使用环境及使用条件下进行模拟疲劳试验 钢中残余奥氏体基本未发生转变钢轨试样拉伸产生3 的塑性变形后 钢中残余奥氏体的转变量仅占20 说明这种条件下残余奥氏体比较稳定 在 40 条件下 钢的延伸率及断面收缩率仍保持室温的水平 冲击韧性高于热处理珠光体钢轨 40 条件下的水平 断裂韧性高于珠光体钢轨 20 的水平 虽然全断面较高的强度使钢轨轨底残余拉应力大幅增加 但没有影响钢轨的落锤及疲劳性能钢轨较好的疲劳性能也通过在即有铁路干线的铺设得到了反映初步取得了耐磨及耐接触疲劳性能都比较好的效果 贝氏体钢轨的组织是无碳化物贝氏体 其中板条状贝氏体占80 以上 残余奥氏体有较好的稳定性 贝氏体钢轨的强度达到淬火珠光体钢轨的水平 韧塑性比较好 即使在 40 试验条件下 其韧塑性仍保持了较高的水平 延伸率在15 以上 冲击韧性在35J以上 断裂韧性大于40MPam1 2 5 结论 贝氏体钢轨全断面强度比较高 致使钢轨矫直残余应力远高于热轧珠光体钢轨 落锤试验 模拟