第一章常用钢轨的化学成分及性能

1、第一章 常用钢轨的化学成分及性能第一节 钢材的性能常用的金属材料通常分成两类，一类是有色金属，另一类是黑色金属。黑色金属中应用最广的是钢铁产品。钢铁材料是由铁（Fe）和碳（C）两种主要元素组成的合金，含碳量小于0.02的铁碳合金称为工业纯铁。一、 物理和化学性能（一） 热膨胀性 钢材受热时体积膨大的特性称为热膨胀性，通常用线膨胀系数作为衡量热膨胀性的指标。钢材类别不同，线膨胀系数也不同。随着温度升高，线胀系数值增大。（二） 导热性 钢材传导热量的性能称为导热性。钢材中的合金元素影响导热性，不锈钢的导热性比低碳钢和低合金钢要差。（三） 导磁性 钢材能导磁的性能称为导磁性。钢材中除单相奥氏体钢为无

2、磁钢外，其余均为导磁钢。钢轨焊后中频加热正火处理正是利用了钢轨钢的导磁性能产生涡流加热钢轨。温度高于770（居里点）时，导磁性能大大降低。（四） 导电性 钢材能够传递电荷的性能称为导电性。通常用电阻系数作为衡量导电性的指标。钢材的电阻系数越大，其导电性越差，电流通过时所产生的热量也越多。钢材的电阻焊接或闪光焊接就是利用了工件端面高电阻产生的热量进行焊接的。（五） 抗氧化性 钢材在一定的温度和介质条件下抵抗氧化性的能力称为抗氧化性。抗氧化性差的钢材在高温条件下，很容易被周围介质中的氧所氧化，形成氧化皮，逐渐剥落而损坏。耐热钢具有良好的抗氧化性，不锈钢的抗氧化性最好。二、 机械性能钢材在一定温度条

3、件和外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为机械性能，或称为力学性能。常规机械性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等；高温机械性能还包括抗蠕变性能、特久强度和瞬时强度以及热疲劳性能等；低温机械性能还包括脆性转变温度等。（一） 强度和塑性强度有静强度和疲劳强度之分。静强度是钢材在缓慢加载的静力作用下，抵抗变形和断裂的能力。疲劳强度是钢材在交变载荷作用下，经过无数次循环交变载荷而不产生裂纹或断裂的能力。钢轨焊接接头的静弯实验(TB/T 1632.1-2005)，是检查接头的静强度；而接头的疲劳强度试验(TB/T 1632.1-2005)是检查疲劳强度的指标。常用的强度指标有屈服极限（即屈服点或屈服强度）、

4、强度极限（即抗拉强度）和疲劳极限等。塑性是指钢材在外力作用下产生塑性变性能力。常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率，以及冷弯角等。钢材的强度和塑性指标，可通过拉伸试验(GB/T 228-2002 equ ISO 6892:1998)及弯曲试验(GB/T 228-1999 equ ISO 7438:1985)而获得。1. 低碳钢拉伸试验 图11是拉伸变形过程示意图，图12为低碳钢试件的拉伸图。由图12可见，在拉伸试验过程中，低碳钢试件工作段的伸长量Dl与试件所受拉力F之间的关系，大致可分为以下四个阶段。第阶段  试件受力以后，长度增加，产生变形，这时如将外力卸去，试件工作段的变形可以消失

5、，恢复原状，变形为弹性变形，因此，称第阶段为弹性变形阶段。低碳钢试件在弹性变形阶段的大部分范围内，外力与变形之间成正比，拉伸图呈一直线。第阶段  弹性变形阶段以后，试件的伸长显著增加，但外力却滞留在很小的范围内上下波动。这时低碳钢似乎是失去了对变形的抵抗能力，外力不需增加，变形却继续增大，这种现象称为屈服或流动。因此，第阶段称为屈服阶段或流动阶段。屈服阶段中拉力波动的最低值称为屈服载荷，用Fs表示。在屈服阶段中，试件的表面上呈现出与轴线大致成45°的条纹线，这种条纹线是因材料沿最大切应力面滑移而形成的，通常称为滑移线。图12为低碳钢试件的拉伸图第阶段  过了屈服阶

6、段以后，继续增加变形，需要加大外力，试件对变形的抵抗能力又获得增强。因此，第阶段称为强化阶段。强化阶段中，力与变形之间不再成正比，呈现着非线性的关系。超过弹性阶段以后，若将载荷卸去（简称卸载），则在卸载过程中，力与变形按线性规律减少，且其间的比例关系与弹性阶段基本相同。载荷全部卸除以后，试件所产生的变形一部分消失，而另一部分则残留下来，试件不能完全恢复原状。在屈服阶段，试件已经有了明显的塑性变形。因此，过了弹性阶段以后，拉伸图曲线上任一点处对应的变形，都包含着弹性变形Dle及塑性变形Dlp两部分（见图12）。第阶段  当拉力继续增大达某一确定数值时，可以看到，试件某处突然开始逐渐局部

7、变细，形同细颈，称颈缩现象。颈缩出现以后，变形主要集中在细颈附近的局部区域。因此，第阶段称为局部变形阶段。局部变形阶段后期，颈缩处的横截面面积急剧减少，试件所能承受的拉力迅速降低，最后在颈缩处被拉断。若用d1及l1分别表示断裂后颈缩处的最小直径及断裂后试件工作段的长度，则d1及l1与试件初始直径d0及工作段初始长度l0相比，均有很大差别。颈缩出现前，试件所能承受的拉力最大值，称为最大载荷，用Fb表示。2低碳钢拉伸时的力学性能图13低碳钢的应力 应变图低碳钢的拉伸图反映了试件的变形及破坏的情况，但还不能代表材料的力学性能。因为试件尺寸的不同，会使拉伸图在量的方面有所差异，为了定量地表示出材料的力

8、学性能，将拉伸图纵、横坐标分别除以A0及l0，所得图形称为应力 - 应变图（-图），= P/ F0，= l/ l0；图13为低碳钢的应力应变图。由图13可见，应力 应变图的曲线上有几个特殊点（如图中a、b、c、e等），当应力达到这些特殊点所对应的应力值时，图中的曲线就要从一种形态变到另一种形态。这些特殊点所对应的应力称为极限应力，材料拉伸时反映强度的一些力学性能，就是用这些极限应力来表示的。从应力应变图上，还可以得出反映材料对弹性变形抵抗能力及反映材料塑性的力学性能。下面对拉伸时材料力学性能的主要指标逐一进行讨论。屈服点和屈服强度 钢材在拉伸过程中，当载荷不再增加（甚至有所降低）时，继续发生塑

9、性变形的现象称为屈服现象。开始出现屈服现象的应力，称为屈服点，以s表示。图12外加拉力与伸长量的关系曲线中S段出现了屈服现象。屈服阶段中曲线呈锯齿形，应力上下波动，锯齿形最高点所对应的应力称为上屈服点，最低点称为下屈服点。上屈服点不太稳定，常随试验状态（如加载速率）而改变。下屈服点比较稳定（如图1-3中的c点），通常把下屈服点所对应的应力作为材料的屈服点（参看GB/T 228-2002金属拉力试验法）。应力达屈服点时，材料将产生显著的塑性变形。拉伸实验时，如果钢材的屈服现象不明显或无屈服现象，则以变形量达到试件基准长度0.2时的应力，定义为该钢材的屈服强度，以0.2表示，计算公式如下：s（或0

10、.2）（1-1）式中PS(或P0.2)试件开始屈服（或产生0.2基准长度变形量）的载荷（N）；F0试件的原始横截面积（mm2）。比例极限及弹性模量E 应力应变曲线上oa段，按一般工程精度要求，可视为直线，在a点以下，应力与应变成正比。对应于a点的应力，称为比例极限，用E表示比例常数，则有 E        （1-2）这就是虎克定律，其中比例常数E表示产生单位应变时所需的应力，是反映材料对弹性变形抵抗能力的一个性能指标，称为抗拉弹性模量，简称弹性模量。不同材料，其比例极限和弹性模量E也不同。例如，

11、低碳钢中的普通碳素钢A3，比例极限约200MPa，弹性模量约200GPa。弹性极限 是卸载后不产生塑性变形的最大应力，在图4-3中用b点所对应的应力表示。实际上低碳钢的弹性极限e与比例极限十分接近。强度极限或抗拉强度b 图13中e点的应力等于试件拉断前所能承受的最大载荷Pb除以试件初始横截面面积F0，即=                （1-3）式中Pb拉断前试件所承受的最大载荷(N);F0试件的原始横截面积（mm2

12、）。当横截面上的应力达强度极限时，受拉杆件上将开始出现颈缩并随即发生断裂。    屈服点和抗拉强度是衡量材料强度的两个重要指标。普通碳素钢A3的屈服点约为s=220MPa，抗拉强度约为b=420MPa。工程上所用的钢材，不仅要有高的屈服极限，而且要有一定的屈强比（即屈服极限与强度极限的比值）。屈强比越小，越不容易发生危险的脆性破坏。但屈强比太低，钢材强度水平就不能充分发挥。延伸率（伸长率）d 延伸率d 就是试件在拉断时相对伸长的大小，即基准长度内试件的净伸长值与原始基准长度的比值。l0是原始试棒的基准长度；lk是圆形试棒断裂时的基准长度标示点内试件的总长

13、度。当基准长度与试棒直径之比为5或10时，延伸率分别以 d5或 d10表示。计算公式为：d5（或 d10）×100 （1-4）式中l0试件的基准长度（mm）；lk试件拉断时基准长度标示点内试件的总长度（mm）。 伸长率 d 表示试件在拉断以前，所能进行的塑性变形的程度，是衡量材料塑性的指标。普通碳素钢A3的伸长率可达d 5=27%以上，在钢材中是塑性相当好的材料。工程上通常把静载常温下伸长率大于5%的材料称为塑性材料，金属材料中低碳钢是典型的塑性材料。图1-4 低碳钢的拉伸图截面收缩率y 用试件初始横截面面积A0减去断裂后颈缩处的最小横截面面积A1，并除以A0所得

14、商值的百分数表示，即： y =（A0 - A1）/ A0 （1-5）普通碳素钢A3的截面收缩率约为y = 55%。3冷作硬化现象图1-4a表示低碳钢的拉伸图。设载荷从零开始逐渐增大，拉伸图曲线将沿Odef线变化直至f点发生断裂为止。前已述及，经过弹性阶段以后，若从某点（例如d点）开始卸载，则力与变形间的关系将沿与弹性阶段直线大体平行的dd ²线回到d ²点。若卸载后从d ²点开始继续加载，曲线将首先大体沿d²d线回至d点，然后仍沿未经卸载的曲线def变化，直至f点发生断裂为止。    可见在再次加载过程中，直到d点

15、以前，试件变形是弹性的，过d点后才开始出现塑性变形。比较图1-4中a、b所示的两条曲线，说明在第二次加载时，材料的比例极限得到提高，而塑性变形和伸长率有所降低。在常温下，材料经加载到产生塑性变形后卸载，由于材料经历过强化，从而使其比例极限提高、塑性性能降低的现象称为冷作硬化。冷作硬化可以提高构件在弹性范围内所能承受的载荷，同时也降低了材料继续进行塑性变形的能力。一些弹性元件及钢索等常利用冷作硬化现象进行预加工处理，以使其能承受较大的载荷而不产生残余变形。冷压成形时，希望材料具有较大塑性变形的能力。因此，常设法防止或消除冷作硬化对材料塑性的影响，例如，在工序间进行退火等。表1-1  几

16、种常用材料的主要力学性能材料名称牌    号屈服点s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率d5(%)普通碳素钢Q235Q275240280380 470500 62025 2719 21优质碳素钢45503603906106601613普通低合金钢Q345BQ390B280 3503340 420480 520500 56019 2117 19合金结构钢40Cr（调质）40MnB（调质）550 800500 800750 1000750 10009 1510 12铝合金2A112A90110 240280210 4204201813（二） 硬度1、硬度试验方法已颁布的硬

17、度试验标准有：GB/T 231-2002金属布氏硬度试验方法、GB/T 230-2004金属洛氏硬度试验方法、GB/T 4341-2001 金属肖氏硬度试验方法、GB/T 4340-1999金属维氏硬度试验方法、GB/T 4342-1991金属显微维氏硬度试验方法等。硬度是表示材料表面一个小区域内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的一种能力。测定金属材料的硬度就能够给出其软硬程度的数量概念，因此硬度也是衡量金属软硬程度的判据。实际上，硬度不是一个单纯的物理或力学量它是代表着弹性、塑性、塑性形变强化率、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。硬度试验在生产和科学研究中应用极为普遍。它之所

18、以被广泛用来检验和评价金属材料的性能，是由其许多特点决定的。首先，硬度试验设备简单，操作迅速方便，硬度是金属力学性能中最易测量的一种性能；其次，硬度和其它力学性能一样，也决定于金属材料的成分、组织与结构。它与其它力学性能之间存在一定的关系，因此可通过测定金属的硬度间接地获得其它力学性能的数值；最后，硬度试验压痕小，一般不损坏零件，可以直接在成品或半成品上测定，且不受被测物体大小、脆韧的限制。这是其它力学性能试验方法所不可及的优点。硬度的测试方法很多，一般多采用压入法来测定硬度。在钢轨焊接领域中常见的为布氏硬度试验和洛氏硬度试验。2、 布氏硬度布氏硬度试验是用一定的静力负荷P（布氏硬度计之压头为

19、淬硬钢球HBS或硬质合金球HBW，试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。）将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压人被测材料的表面，保持一定的时间后卸除负荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕球面积F，然后再计算出单位面积所受的力（p/F值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映较大体积范围的各组成物的平均性能，代表性较全面，试验结果也比较稳定，和材料的抗拉强度有近似关系。3、洛氏硬度洛氏硬度试验，是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头），在先后施加两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的

20、。总载荷p为预载荷p0和主载荷p1之和，即p = p0 + p1 （1-6）洛氏硬度值是施加总载荷p并卸除主载荷p1后，在预载荷p0继续作用下，由主载荷p1引起的残余压入深度e来计算。h0表示在预载荷p0作用下，压头压入被试材料的深度；h1表示施加总载荷p并卸除主载荷p1，但仍保留预载荷p0时，压头压入被试材料的深度。深度差e = h1 + h0，该值用来表示被测材料硬度的高低。在实际应用中，为了使硬的材料测出的硬度值比软的材料得的硬度值高，以符合一般的习惯，将被测材料的硬度值用公式加以适当变换。即 HR = （1-7）式中K常数，其值在采用金刚石压头时为0.2，采用钢球压头时为0.26；C常

21、数，代表指示器读数盘每一刻度相当于压头压入被测材料的深度，其值为 0.002 mm；HR标注洛氏硬度的符号，当采用金刚石压头及150 kg的总载荷时应标注HRC，当采用钢球压头及100 kg总载荷试验时，则应标注HRB。洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。对极薄的工件由于洛氏硬度试验的载荷较大，不宜用来测定，这时可使用表面洛氏硬度计。其初载荷为3Kgf(29.4N)，总载荷为15Kgf(147.2N)、30Kgf(294.3N)、45Kgf(441.5N)，常数K取0.1mm，以0.001mm压痕深度为一个硬度单位。（三）冲击韧性金属材料在服役

22、中，不仅受到静负荷的作用，而且还受到速度很快的冲击负荷的作用。如火车车轮对铁轨的冲击，锻锤对铁砧的冲击等。由于冲击负荷的加载速度高，作用时间短，使金属在受冲击时，应力分布和变形很不均匀，工件往往易断裂。因此，对于承受冲击负荷的零件或工具来说，仅具有高的强度是不够的，还必须具有足够的抗冲击负荷的能力。金属材料在冲击负荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性。金属材料的冲击韧性的好坏可通过冲击试验来测定（GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法，GB/T 19748-2005钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法）。冲击韧性就是在冲击力作用下，具有一定形状的缺口（或无缺口）试件抵抗变形和

23、断裂的能力。按冲击形态分为摆锤冲击和落锤冲击。目前最普遍应用的一种冲击试验是一次摆锤弯曲冲击试验，缺口形式有V型缺口和U型缺口两种。冲击韧性的大小称为冲击值，以ak表示。计算公式如下：（1-8）式中： 冲击试件所消耗的功（J）；试件缺口部件的原始横截面积（cm2）。通过冲击试验来测定材料承受冲击负荷的能力，无疑对设计计算和对材料进行评定均有重要的意义。由一次摆锤弯曲冲击试验获得的一次冲击韧性值ak对材料的一些缺陷很敏感，它能反映出材料的宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，因而是检验材料或工件中的白点、夹杂物、层状、夹渣、气泡、压力加工产品各向异性、淬火过热、过烧、变形时效及回火脆性等的有效方法之

24、一。另外，ak对材料的脆性转化也很敏感，可利用低温冲击试验测定钢的冷脆性。(四)疲劳性能疲劳断裂是机件在受变动载荷作用下经过较长时间工作发生的断裂现象。和其它类型的断裂一样， 疲劳断裂也是裂纹形成和扩展的过程，所不同的是疲劳断裂是在较低应力下产生的，断裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，是一种低应力脆性断裂。而且，疲劳破坏是长期的过程，是一个裂纹缓慢扩展的过程，是材料在交变应力作用下经过几百次甚至几百万次循环才产生的突然断裂，所以更具有危险性。当变动的载荷低于某值时，载荷交变到无数次也不会发生疲劳断裂，这时试件单位表面上所承受的力（应力）称为该材料的疲劳极限。三、焊接性能钢材的焊接性

25、能，直接影响到焊接工艺和焊接质量，通常用可焊性这一概念来表达。所谓钢材的可焊性，系指被焊钢材在采用一定的焊接材料、焊接工艺方法及工艺规范参数等条件下，获得优质焊接接头的难易程度。不同类别的钢材，其可焊性不一样；同一钢材，采用不同的焊接方法或焊接材料，其可焊性也可能有很大差别。可焊性包括两方面：（一）工艺可焊性工艺可焊性是指在一定焊接条件下，焊接接头出现各种裂纹及其他工艺缺陷的可能性。它包括焊接材料的选择；焊缝金属抗冷、热裂纹的能力；热影响区金属抗冷、热裂纹的能力；热影响区金属的脆硬倾向（马氏体组织）等。因此，工艺可焊性又称为抗裂性。（二）使用可焊性使用可焊性是指在一定焊接条件下，焊接接头的性能

26、发生变化并影响使用可靠性的程度。它包括接头的常温拉伸机械性能（等）；接头的韧性（常温、低温等）；接头的硬度、弯曲、疲劳、落锤试验等。因此，使用可焊性又称为安全可焊性。钢轨的实物焊接，是从使用可焊性考虑的。钢材的可焊性常用碳当量估计。它是根据钢材的化学成分与焊接热影响区脆硬性的关系，粗略地评价钢材的焊接时产生冷裂纹倾向和脆化倾向的一种估算方法。对于锰硅(Mn-Si)系合金钢的碳当量公式为：CeCMn+Si （1-9）式中，右边各项中的元素符号表示钢材中化学元素含量，用表示。经验证明：当Ce<0.4时，钢材的淬硬倾向不大，可焊性优良；当Ce0.40.6时，钢材的淬硬倾向增大，当Ce>0

27、.6%时，钢材的淬硬倾向强，属于较难焊钢材。钢轨钢的含碳量、含锰量、含硅量较高，属于可焊性较差材质。四、 钢材的分类（一）钢的分类及编号钢是碳质量分数小于2.11的铁碳合金，是现代化工业中用途最广、用量最大的金属材料。钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。工业用碳钢除以铁和碳为主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷、氮、氧、氢等常存杂质。由于碳钢容易冶炼，价格低廉，性能可以满足一般工程机械、普通机器零部件、工具及日常轻工业产品的使用要求，故得到了广泛的应用。我国碳钢产量约占钢总产量的8590左右。合金钢是在碳钢的基础上，为了提高钢的机械性能、物理性能和化学性能，改善钢的工艺性能，在

28、冶炼时有目的地加人一些合金元素的钢。在钢的总产量中，合金钢所占比重约1015，与碳钢相比，合金钢的性能有显著的提高和改善，随着我国钢铁工业的发展，合金钢的产量、品种、质量逐年增加和提高。1、 钢的分类钢的种类繁多，为了便于生产、选用和比较研究并进行保管，根据钢的某些特性，从不同角度出发，可以把它们分成若干具有共同特点的类别。下面简单介绍一些常用的分类方法。（1） 按化学成分分类 按化学成分可把钢分为碳素钢和合金钢两大类。a碳素钢   按含碳量不同又可分为低碳钢（碳质量分数(C)025、中碳钢（C）0.250.60）和高碳钢（C）>0.60）。b合金钢按钢中合金元素总含

29、量可分为低合金钢（合金元素总质量分数小于5）、中合金钢（合金元素总质量分数为510）和高合金钢（合金元素总质量分数大于10）。此外，还可根据钢中所含主要合金元素种类不同来分类，如锰钢、铬钢、硼钢、铬锰钢、铬锰钛钢等。（2）按钢的质量分类根据钢中所含有害杂质(S、P)的多少，工业用钢通常分为普通质量钢、优质钢和高级优质钢。a普通质量钢  硫、磷的质量分数(S)0.035 0.050,  (P) 0.0350.045 。b优质钢  (S) 0.035 ,  (P) 0.035c高级优质钢  (S) 0.025,  (P) 0.025。（3

30、）按金相组织分类a 按照平衡状态或退火组织可分为亚共析钢（其金相组织为铁素体+珠光体）、共析钢（其金相组织为珠光体），过共析钢（其金相组织为珠光体+二次碳化物）和莱氏体钢（其金相组织类似白口铸铁，即组织中存在着莱氏体）。b 按正火组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。但由于空冷的速度随钢试样尺寸大小而有所不同，所以这种分类法是以断面不大的试样（通常选用25mm）为准。c 按加热及冷却时有无相变和室温时的金相组织可分为铁素体钢（加热和冷却时，始终保持铁素体组织）、奥氏体钢（加热和冷却时，始终保持奥氏体组织）和复相钢（如半铁素体或半奥氏体钢）。（4）按冶炼方法分类a按冶炼设备分类，可分

31、为平炉钢、转炉钢和电炉钢。b按钢的脱氧程度和浇注制度不同，又可将其分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。合金钢一般均为镇静钢。（5）按用途分类按钢的用途分类是钢的主要分类方法。我国冶金行业标准（YB)和国家标准（GB）一般都是按钢的用途分类法制订的。根据工业用钢的不同用途，可将其分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。a结构钢用作工程结构的钢。属于这类钢的有碳素结构钢、低合金结构钢。 用作各种机器零部件的钢。包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢，以及易削钢、低淬钢、冷冲压钢等。 b工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三种。它们可用以制造刃具、模具和量具等。c特殊性能钢这类钢具有

32、特殊的物理、化学性能，它包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢、低温用钢等。 此外还有特定用途钢。如锅炉用钢、压力容器用钢、桥梁用钢、船舶用钢及钢筋钢等。2、钢的编号方法我国现行钢号，基本上是按国家标准总局2000年颁布的钢铁产品牌号表示方法(GB221-2000)确定的。产品牌号使用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字来表示。汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法。例如，碳素工具钢，采用“碳”字汉语拼音“TAN”的“T”表示；滚珠轴承钢选用字母“G”表示。化学元素采用国际化学符号表示。例如，锰用“Mn”表示，硅用“Si”表示，铬用“Cr”表示，镍用“Ni”表示等。阿拉伯数字

33、用来表示化学元素含量或表示牌号的顺序号、分类号及特性。例如，40Cr钢，“40”表示钢中的平均含碳量为(C) = 0.40；Q235钢，“235”表示此钢的屈服点数值。钢材常用的分类方法见表1-2。表12钢材的分类分类方法钢的名称按照化学成分碳素钢:工业纯铁（碳含量0.02%）低碳钢（碳含量0.25%）中碳钢（碳含量>0.25%-0.60%）高碳钢（碳含量>0.60%）合金钢:低合金钢（合金元素含量5）中合金钢（合金元素总含量>5%-10%）高合金钢（合金元素总含量>10%）按照品质普通钢(磷含量0.045，硫含量0.055)优质钢（磷硫含量均0.035）高级优质钢（磷

34、含量0.025%，硫含量0.015%）按照冶炼方法平炉钢；转炉钢；电炉钢沸腾钢；镇静钢；半镇静钢按用途和组织低碳钢和低合金高强度钢：铁素体珠光体型钢；低碳贝氏体型钢；马氏体型调制高强钢耐热钢：低合金珠光体型钢；高铬马氏体型钢；奥氏体型钢低温钢：铁素体型钢；低碳马氏体型钢；奥氏体型钢不锈钢：铁素体型钢；奥氏体型钢；奥氏体铁素体型钢；马氏体型钢第二节 钢的组织一、钢的基本组织钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织。钢轨钢的性能也是如此。它的组织无法肉眼直接观察，只有经过取样、打磨抛光、腐蚀后，在金相显微镜下才能观察到钢材的组织，故又称为金相组织。晶体结构是指晶体中的原子或离子、分

35、子等的排列情况，也就是它们在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式。由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也就不一样，所以就存在各种各样的晶体结构。为了便于研究，往往把构成晶体的实际质点抽象地认为是纯粹的几何点，称为阵点或点阵。把这种阵点有规则的周期性重复排列所构成的几何图形即称为空间点阵。把点阵用直线连接起来形成的空间格子称为晶格。金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图15和图16所示。体心立方晶格立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，面心立方晶格立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。纯铁在常温下是体心立方晶格（称为Fe）；当温度升到910时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变

36、为面心立方晶格（称为Fe）；再升温到1390时，而面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格（称为Fe），然后一直保持到纯铁的熔化温度。图15 体心立方晶格图16面心立方晶格钢是铁和碳的合金。碳能溶解在Fe和Fe中形成固溶体。二、钢的组织（一）铁素体（ferrite）纯铁在912以下为具有体心立方晶格的-Fe。碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。由于-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大，可达0.0218,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600时溶碳量约为0.0057，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下：

37、0;抗拉强度             180280MN/平方米               屈服强度             100170MN/平方米   &#

38、160;           延伸率               30-50                   断面收缩率   

39、       70-80                  冲击韧性             160200J/平方厘米        

40、60;     硬度HB              5080                   由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体在770以下具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。图17

41、铁素体的晶体结构注1：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列一个原子。可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以，体心立方晶胞中原子数为8*1/8+1=2个。 图18铁素体的金相组织 铁素体是碳在Fe中的间隙固溶体，如图17和图18所示。由于体心立方晶格的原子间隙很小，则碳在Fe中的溶解度极小，室温下仅能溶解0.006的碳。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性好，要根据所生厂的产品的要求来选择，一般铁素体在工业中用的少，一般是与碳混合成其他的铁碳合金来参与生产中。钢轨接触焊的焊缝含

42、有较多的铁素体，呈网状断续分布。(二)奥氏体（austenite）奥氏体是碳在Fe中的固溶体，常用“A”表示，奥氏体晶体结构和金相组织如图19和图110所示。碳钢只有加热到723（临界点）以上，组织发生转变时才存在奥氏体。奥氏体的强度和硬度并不高，但塑性、韧性好。奥氏体也是间隙固溶体，因其晶格间隙尺寸较大，（最大间隙球半径为0.52）。故碳在中的溶解度较大。727 溶碳0.77%，温度 溶碳量。1148 达到最大溶碳量2.11%。图19奥氏体的晶体结构图110奥氏体的金相组织（三）渗碳体（cementite）渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，分子式是Fe3C，其含碳量为6.

43、69%，熔点为1227，其性能与铁素体相反，硬而脆。随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性下降。（四）珠光体（pearlite）珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物，只有在温度低于723时才存在。在高倍显微镜下，可以清楚地看到珠光体中的片状铁素体与渗碳体一层一层交替分布的情况。图111是U74钢轨母材的珠光体组织。图中灰黑色片状的是渗碳体，中间的较宽的白色间隔层为铁素体。按层片间距可以把珠光体分为粗珠光体、细珠光体（索氏体sorbite）和极细珠光体（屈氏体troostite）。图111珠光体组织（500×）（五）马氏体（martensi

44、te）马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体。由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀。局部体积膨胀后引起的内应力，往往导致零件变形、开裂。高碳马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。钢轨中不能含有马氏体组织，焊接后的接头组织中也绝对不允许出现马氏体组织。三、铁碳合金状态图用于表示不同含碳量的铁碳合金，在不同温度下所处的状态、晶体结构和显微组织特征的图，称铁碳合金状态图，又称为铁碳平衡图。含碳量小于2.0的铁碳合金图又称为钢的状态图，如图112所示。图中纵坐标表示温度，横坐标表示含碳量（碳的百分含量）。从图的左上角可以看出，工业纯铁的熔点是1538。ABC线为液相线，钢加热到此

45、线表示的相应温度时，全部变成液体；而冷却到此线时，开始结晶出固相。AHJE线为固相线，钢加热到此线表示的相应温度时，开始出现液体；而冷却到此线时，全部转变成固相。图112 铁碳合金相图图中有四个单相区。ABCD以上为液相区；AHN区为铁素体区；NJESG区为奥氏体区；GPQO区为铁素体区。在相邻两个单相区之间都夹有双相区。ABJH为铁素体与液相共存区，HJN区为铁素体与液体共存区；JBCE区为液体与奥氏体共存区；GSP区为奥氏体与铁素体共存区；EKS区为奥氏体与渗碳体共存区。图中S点成分相当于0.8C的奥氏体冷至PSK水平线所表示的温度(723)时，将从奥氏体同时析出铁素体和渗碳体，两者相互交

46、替层状排列成的机械混合物是珠光体。在S点成分的钢，室温下组织全部是珠光体。钢在加热或冷却过程中，内部组织发生转变的温度称为临界温度（或临界点）。临界点Ac1表示钢在焊接加热时珠光体转变为奥氏体的终了温度。临界点Ac3表示钢在焊接加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度。临界点Ar3表示钢在焊接后冷却过程中由奥氏体开始析出铁素体的温度。临界点Ar1表示焊接后冷却过程中奥氏体转变为珠光体的温度。钢在焊接时的加热与冷却都十分迅速，达不到平衡状态。所以临界点Ac1、Ac3、Ar1、Ar3与平衡图的A1（PSK线）、A3（GS线）不完全相同。图113是亚共析钢（C<0.8%）的组织转变示意图。图113是

47、亚共析钢（C<0.8%）的组织转变示意图钢轨钢的含碳量一般在0.60.8，其组织为珠光体或珠光体加少量铁素体。四、铁碳合金的分类根据Fe- Fe3C相图，铁碳合金可分为三类工业纯铁C0.0218% 、钢0.0218%<C 2.11%  和白口铸铁2.11%<C <6.69%表1-3  几种碳钢号和碳质量分数类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数/%0.200.450.600.801.001.20第三节 钢轨的化学成分一、钢轨钢种分类钢轨按其化学成分一般分为碳素钢轨和合金钢轨。碳素钢轨所含基本化学成分除铁（Fe）

48、外是碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）这五个化学元素。合金钢轨除含有这些元素之外，还含有铬（Cr）、钼（Mo）、钒(V)、钛(Ti)、铌（Nb）和稀土（Re）等元素。在碳素钢轨中依据含碳量的多少又分为：（一）亚共析钢钢轨此种钢轨的碳元素含量不大于0.6，是亚共析钢组织，强度低，耐磨性差，属于这类的钢轨是欧洲UIC860普通级钢轨，它的强度是680830MPa。（二）共析钢钢轨此种钢轨的碳元素含量有较大幅度的提高，强度高和有较好的耐磨性能。属于这类的钢轨有俄罗斯、乌克兰的M74、M76和我国包钢轧制的U74钢轨。这类钢轨的强度在800900MPa。在碳素钢化学成分的基础上增加某

49、一元素的含量，称为低合金钢。增加锰元素含量的钢轨称为中锰低合金钢轨，例如U71Mn钢轨。增加硅元素含量的钢轨称为高硅低合金钢轨，例如鞍钢轧制的USi钢轨。这类钢轨有很高的耐磨性能，强度一般不低于900MPa。在碳素钢轨基本化学元素的基础上加适量的元素铬（Cr）或元素钼（Mo）后成为特级耐磨钢轨，它的强度可高达1100MPa以上。我国的铬、钼资源较少，但是稀土资源丰富，包钢轧制的BNbRe钢轨加入适量的铌（Ni）和稀土资源(Re)后，钢轨的抗拉强度提高到10501100MPa。二、钢轨中各元素的作用（一）碳元素钢轨中碳的含量一般在0.550.80，因此钢轨钢的组织在钢的状态图中为铁素体加珠光体。

50、随着碳元素含量增加，珠光体成分增大，铁素体含量相对减少。当碳元素含量增加到0.8时，钢轨的组织全部为珠光体组织。钢轨在冶炼、轧制过程中严格控制碳元素含量不大于0.8。为了提高钢轨钢的强度，通常提高含碳量。强度提高时硬度也随之提高，但塑性和韧性下降。从碳当量公式可知，碳是影响可焊性的主要元素，碳含量增大导致可焊性变差。碳含量增加使得焊接高温区的奥氏体晶粒增大，导致了焊后钢轨接头的韧性下降。（二）锰元素钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。钢轨中锰元素含量为0.701.30，少数钢种大于1.30。锰是强化元素，在钢中加入锰可以提高钢的强度。锰固溶在奥氏体中，使珠光

51、体转变温度降低，从而得到细的珠光体组织。从碳当量公式可以看出，锰也是影响可焊性的元素，在钢轨焊接加热过程中会引起晶粒变粗大，脆性增加。在钢轨焊接过程中锰与硫结合形成MnS非金属夹杂物，以液态膜形态存在钢轨闪光断面上。顶锻时若未将钢轨端面的液态膜完全挤出，会形成焊接缺陷（如灰斑缺陷）。（三）硅元素硅是强化元素，它能使钢的硬度和强度得到提高。为了提高钢轨的耐磨性能，硅常作为合金元素加入。硅元素含量的增加，导致钢轨塑性和韧性降低。硅降低钢轨的焊接性能，在焊接加热过程中，由于硅与氧的亲和力强，在焊接钢轨端面容易生成低熔点的硅酸盐，顶锻不能完全挤出形成灰斑缺陷，严重降低焊接接头质量。硅元素增加使钢轨导热

52、性变坏；使脱碳倾向增大，在焊接时钢轨端头升温速度不宜太快。 (四)磷和硫磷和硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。是钢中有害的残存元素。在钢轨钢中必须严格限制它们的含量不大于0.004。硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在10001200压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。在钢中增加含锰量，可消除S的有害作用，Mn能与S形成熔点为1620的MnS，而且MnS在高温时具有塑性，这样避免了热脆现象。硫与铁生成FeS夹杂物存在钢中，使钢的塑性和韧性降低。磷在钢中全

53、部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。磷的存在还会使钢的焊接性能变坏，因此钢中含磷量应严格控制。磷急剧增加钢的脆性，尤其是冷脆性。硫和磷还容易导致焊接热裂纹而降低接头性能。（五）钒元素钒元素在钢中以碳化物形式存在，它起着细化晶粒的作用，因此，它提高钢的强度和韧性，有利于提高焊接接头质量，U75V钢轨含钒0.050.12。（六）稀土元素钢轨中加入微量的稀土元素（Re0.02%-0.05%）起着改变夹杂物形态及对夹杂物起变质处理作用。加入微量稀土元素后有利于提高钢轨钢的韧性。（七）铬元素

54、合金化钢轨中含有较多的铬元素，在强化合金化钢轨中含铬0.701.20。铬是固溶强化元素，加铬使钢的珠光体转变温度降低，形成细珠光体，提高钢的强度和钢轨的耐磨性能。（八）铌元素碳素钢轨中加入0.010.05的元素铌对钢的韧性和耐疲劳性能有较明显作用；但对钢的强度和塑性指标影响不明显。固溶到奥氏体中的铌可使原始奥氏体晶粒细化，从而也使珠光体细化。当铌含碳量达0.1时，钢轨钢的韧、塑性和疲劳强度反而降低。第四节 钢轨的机械性能一、 钢轨的标志世界各地生产的钢轨，都有自己国家钢轨制造厂家的标志。我国的国家标准（GB2585-1981-81铁路用每米38-50公斤钢轨技术条件 ；TB/T2635-200

55、4 热处理钢轨技术条件 ；TB/T2344-20034375kg/m热轧钢轨订货技术条件；350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件）也规定，标准轨的定尺长度为12.5m、25m、50m、100m，每根钢轨的轨腰轧有下列清晰、凸起的标志：生产厂标志、钢轨轨型（如60代表60kg/m）、钢轨钢牌号（如U75V、U71Mn）以及制造年（轧制年度末两位）、月（如04代表轧制年度为2004年，代表3月份轧制、代表6月份轧制）。鞍钢、包钢、攀钢三大钢轨生产厂的标志如图114所示。图114 厂标国家标准还规定，在每根钢轨轨腰上（与上述标志同侧）距轨端不小于2m的两三个地方，采用热压印机（不允许冷压

56、印）压上清晰的标志。1、炉号（如 04 3 2178 代表04年，第3号转炉，第2178炉）；2、连铸流号（用1、2、3、4分别表示不同的连铸流号）；3、连铸坯号（用1、2、3、4分别表示同一流中不同的铸坯号）；4、钢轨顺序号（A、B、C、分别表示同一支钢坯轧制出来的不同支钢轨）；5、班别号（甲班、乙班、丙班）。例1：50 PL 1988 | U71Mn 8821424250：钢轨类型，表示50kg/m；PL：表示钢质、即平炉铅脱氧炼钢；：代表鞍山钢铁公司；1988：表示钢轨为1988年生产；|：表示钢轨生产月份，即6月；U71Mn：U为钢轨代号，71表示含碳量为0.71%，Mn表示钢轨中含锰

57、。例2： 60 U74 88 88121478：代表包头钢铁公司；60：钢轨类型，表示60kg/m；U74：U为钢轨代号，74表示含碳量为0.74%；88：表示钢轨为1988年生产；：表示钢轨生产月份，即12月。例3： U71Mn 50 80 P 8821501：代表攀枝花钢铁公司；U71Mn：U为钢轨代号，71表示含碳量为0.71%，Mn表示钢轨中含锰。50：钢轨类型，表示50kg/m；88：表示钢轨为1988年生产；：表示钢轨生产月份，即4月；P：表示平炉钢；二、 钢轨外观钢轨纵向不得有波浪弯曲和硬弯；钢轨表面不得有裂纹、折叠和横向划痕。允许钢轨有深度不超过1mm的结疤、压痕、碰伤和个别裂

58、纹，纵向划痕深度不得超过0.5mm。在轨底中央1/3处不得有线纹，其它上述缺陷不得超过0.5mm。钢轨端面和螺栓孔表面不得有缩孔残余、分层、裂纹，螺栓孔应予倒棱，尺寸为0.81.5mm，倒角约45°。三、 钢轨分类表14钢轨化学成分和性能钢号化学成分（%）抗拉强度b（Mpa）伸长率s（%）CSiMnCuNbVRePS不小于不大于U710.640.770.130.280.600.90 0.0400.05078510U740.670.800.130.280.701.00 0.0400.0507859U71Cu0.650.770.150.300.701.000.100.

59、400.0400.0507859U71Mn0.650.770.150.351.101.50 0.0400.0408838U70MnSi0.650.750.851.150.851.15 0.0400.0408838U71MnSiCu0.650.770.701.100.801.200.100.400.0400.0408838U75V0.720.800.650.900.751.050.050.120.040.049808BNbRe0.700.800.600.900.901.300.010.050.020.050.040.0410008按照钢轨外形尺寸和重量，可将钢轨分为50kg/m、60kg/m、75kg/m。按照化学成分可将钢轨分为碳素钢、低合金轨和