材料研究方法结课论文_图文

1、现代分析方法在课题研究中的应用1 研究方向酸性或碱性条件下铁路辙叉钢的腐蚀磨损性能的研究2 研究背景辙叉是使车轮由一股钢轨通过另一股钢轨的轨线平面交叉设备,主要由翼轨、心轨及联接零件组成。目前铁路辙叉用钢铁有两种:高锰钢和贝氏体钢。高锰钢作为铁路辙叉材料,其标准成分C1.0%1.4%、Mn10%14%(质量分数1。燕山大学利用再合金化的原理开发了一种加工硬化能力高、自减摩性能好的铁路辙叉专用高锰钢,化学成分(质量分数为:C1.0%1.2%,Mn11%13%,N 0.04%0.08%,Cr 1.5%2.5%,Cu0.8%1.0%,Re 0.1%0.3%。热处理工艺为:加热到1 0001 100

2、保温后水淬,获得单相奥氏体组织。常规力学性能为:抗拉强度>800 MPa,冲击性能>150 J/cm2,这种成分高锰钢辙叉的使用寿命比普通成分高锰钢辙叉使用寿命提高30%以上2。随着铁路向高速重载及长寿命方向发展,对改变火车运行方向的关键部位-辙叉提出了更高的要求,由于传统的整体固定型高锰钢辙叉已经不能很好满足现有的长寿命及高速重载的需求,所以急需一种性能更好的新型辙叉材料,这样贝氏体钢辙叉应运而生。贝氏体钢化学组成是低碳和低合金元素,含碳量一般<0.05%,主要合金元素有Mn,Cr,Ni,Mo,B等。贝氏体组织通常通过空冷或控制冷却速度得到。这类钢具有高强度(5301500

3、MPa、高韧性、抗拉强度随贝氏体转变温度的降低而提高。工艺性能(可焊性和成型性较好。与高锰钢相比,贝氏体钢伸长率虽然比高锰钢低,而断面收缩率比高锰钢铸造辙叉高,抗拉强度也比高锰钢大很多。本文主要对贝氏体体钢的腐蚀磨损方面的研究进行总结。3 研究常用的表征方法3.1 SEM的应用4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,见下图,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。 3.2

4、XRD的应用5 上图是研究超低碳贝氏体钢ULCB和09CuPCrNi钢材经过加速腐蚀后的锈层的X射线衍射图谱。a:钢材表层,b和c:钢材内锈层,M:磁铁矿,:-FeOOH,:-FeOOH,:-FeOOH。1-6:1至6个加速腐蚀周期。用XRD分析,可看出,贝氏体钢ULCB和09CuPCrNi两种钢的锈层上是相似的。外锈层由Fe3O4,-FeOOH,-FeOOH和-FeOOH组成。而两种钢的内绣层主要是Fe3O4,没有-FeOOH。但在ULCB钢的1至6加速腐蚀中出现无定形腐蚀产物,非晶峰约16度左右出现,如图所示。根据XRD的结果,可以说无定形锈只存在于ULCB钢的内锈层中。3.3 电化学阻抗

5、谱法的应用6 图5为超低碳铁素体钢(No.A和09CuPCrNi钢(No.B新型低碳贝氏体钢(No.C三种钢材比较腐蚀后的电化学阻抗谱。图6为相应的等效电路,用来模拟带锈试样在NaCl溶液里的腐蚀情况。由于构成锈层的主要腐蚀产物(Fe00H,-FeOOH,-FeOOH和无定形锈的本征电阻非常高,锈层的导电性在很大程度上取决于锈层内的缺陷,如裂纹、孔隙、空洞等,这些缺陷易被NaCl溶液渗透而导致锈层电阻下降.所以,锈层电阻Rr综合反映了腐蚀产物的本征电阻(取决于各种腐蚀产物的所占比例和锈层的致密程度,因而较全面地表征了锈层阻碍氯离子透过的能力,是评估锈层保护能力的关键参数。3.4 极化曲线的应用

6、6 3种钢带锈层试样的极化曲线如上图所示。从图可见,随腐蚀时间的延长,试样自腐蚀电位升高且阳极电流减小,这说明锈层对阳极反应起阻碍作用.超低碳铁素体钢(No.A的阳极电流减小幅度最小,新型低碳贝氏体钢(No.C的阳极电流减小幅度最大,且在腐蚀后期(2135 d它们之间的差距更为明显。这说明新型低碳贝氏体钢的锈层具有更好的保护性,对阳极反应产生更强的阻碍作用3.5 EDS 的应用7 上图为加速腐蚀后的超低碳贝氏体钢带锈试样的EDS 图像。(a:锈层扫描照片2000× (b 、(c 、(d 、(e 、(f 分别对应C 、O 、Cl 、Fe 、Cu 元素分布。 从试样锈层截面的EDS 面扫

7、描图谱中发现,C 、O 、Cl 、Cu 存在于锈层中,并发现有少量亮点,高放大倍数下采集的单个颗粒的EDS 谱发现Cu 含量47.1%(wt ,即存在Cu 的局部材料研究方法结课论文 富集现象。由于元素在锈层中的富集需要元素在钢基体中迁移、溶解、氧化，是一个漫长过 程，在实验室加速条件下，加之暴露时间短，可能没有能够完成内锈层有规律的富集。Cu 有在内锈层富集的趋势，说明锈层的生长初期，Cu元素的作用不大，而随着腐蚀时间的延 长，Cu元素的作用逐渐增强。 3.6 TEM的应用8 上图是对含W和Mo贝氏体钢的氢脆失效的研究，由图 3-14a,b 的透射照片观察发现， 含 W 钢的贝氏体板条是由许

8、多的细小的亚片条组成的， 亚片条又是由更为细小的亚单元组 成的，亚片条与贝氏体片条平行，而亚单元则与亚单元之间构成一定的角度，亚单元以及亚 片条之间由残余奥氏体薄膜隔开，残余奥氏体薄膜的宽度约为 30 nm，而含 Mo 钢的残余 奥氏体薄膜约为 20 nm，含 W 钢的残余奥氏体薄膜宽度比含 Mo 钢的要宽。 3.7 AFM的应用9 上图为试样经低温、 较长时间回火后超精细结构的原子力显微镜像， 图中清楚地显示了 贝氏体铁素体 （BF） 是由大量尺寸为530 nmx380 nmx60 nm的薄片沿其侧边紧密堆砌而成， 5 材料研究方法结课论文 且被AR膜隔离具有规则外形的每一薄片又由若干平均线

9、度约为30 nm的、非常细小的等 轴超细晶粒构成。 上图为试样低温、短时回火，并快速冷至室温的精细结构原子力显微镜像。每一贝氏体 铁素体（BF）板条是由线度为460 nm×260 nm x140 nm的棱柱沿其正面排列而成(见图中 点画线。组成棱柱的不规则超细晶粒(箭头所示尺寸小于20 am并且分布非常致密。 上两图分别给出了薄片状和棱柱体两种具有规则外形的切变单元。 比较它们的形成过程 可知，热处理工艺对切变单元的外部形状、排列方式以及超细晶粒的尺寸有强烈影响。规则 单元排列愈紧密、超细晶粒尺寸愈细小，冲击吸收能（AKV）值愈高。以前很多文献提到的 具有近似规则外形单元的最小尺寸在微米或亚微米量级， 但本文发现规则外形单元