【贝氏体钢轨的研究现状概述2500字】

贝氏体钢轨的研究现状概述1.1贝氏体钢简介在上世纪二十年代，国外学者Robertson[1]首次发现，在钢中转变温度介于高温和低温转变之间的转变产物具有独特的组织形貌及性能。在那以后Bain和Devenport等人[2]对组织和性能进行了一系列的研究，并在1934年为了纪念Bain对该类相变产物做出卓越的贡献，将其中温转变产物命名为“贝氏体”。贝氏体会在中温时（500℃~Ms）进行转变，贝氏体的转变温度是高于马氏体（Ms以下）的转变温度并且低于珠光体（Ar1~500℃）的转变温度的，其主要成分是铁素体和渗碳体。贝氏体组织是非片状的，贝氏体出现于过冷奥是体的转变温区间。虽然贝氏体是属于中温转变但正是因为他的这种特性让它获得了高温转变产物珠光体的良好塑性韧性和低温马氏体的高强度，具有精良的韧性。贝氏体钢是碳含量低于0.5%，合金元素是以锰、铬、钼、硼、镍为主的低碳合金钢。现在常常通过空气冷却或者通过将冷却速度控制在一定的范围内这两种方法来得到贝氏体钢的组织。最开始的时候如果我们想得到贝氏体钢的话我们就只能通过等温淬火。等温淬火就是钢材加热到临界点共析温度以上得到奥氏体后使其在很短的时间内冷却到会转变成贝氏体的温度区间然后就使温度不产生变化创造保存条件，这样就可以得到有奥氏体转变成的贝氏体钢。上世纪50年代末，英国的Picking和Irvine等发现，在钢材里面通过加入一些元素使金属合金化的手段可以非常好的对钢的淬透性这种性能进行提升[3]。通过元素合金化科学家们研制出来的钼-硼系贝氏体钢被发现他有十分不错的渗透性，使得体型较大的工件在冷空气条件下也能够让钢材的组织是以贝氏体为主的，这一发现大大提高了贝氏体钢运用于商业的可能性。虽说钼-硼系贝氏体钢合金化使他的成本比较大，优秀的热处理方式还是在工业化生产方面起到了一定程度上的普及作用。当钼-硼系贝氏体钢运用到实际的生产中的时候，钼-硼系贝氏体钢被发现就是因为他在刚开始转变温度的时候温度过于高使得它的塑韧性并不理想。但是如果想要降低他的起始转变温度就只能通过进一步的合金化来进行，这就会导致生产钢材的成本大大提升，这无疑就限制了贝氏体钢的商业应用的进一步扩展[4]。上世纪70年代，我国方鸿生教授通过实验研究得出在，钢中添加一定量的锰元素，会使得在过冷奥氏体等温转变曲线中出现明显的河湾状弯曲的曲线[5]，如图1-1所示。这样就导致贝氏体中温转变与铁素体的等温转变和珠光体的高温转变相分隔开。在那以后有了新的发现，如果金属里面被加入了一定量的锰元素和硼元素进行合金化贝氏体的中文转变孕育期的时间较之原来会有十分显著的缩短，但是也大大提升了贝氏体钢的淬透性[6]，并成功开发了锰-硼系空冷贝氏体钢。这就解决了贝氏体刚的成本问题，也打破了想要得到空冷贝氏体就要添加钼的思维僵局，打破了传统方式[7],更不要说在热处理工艺上又十分易于操作，让锰系合金钢运用到实际的工业生产中就有十分突出的优越性，这也让锰硼系贝氏体刚成为大家研究的主流方向。图1-1某种成分锰-硼系贝氏体钢的TTT曲线[4] Fig.1-1SomekindofTTTcurveofMn-Bseriesbainiticsteel[4]根据发现，铬提高淬透性的能力只比锰低一些，但是在降低贝氏体刚的起始转变温度（Bs）的时候影响却十分明显但是对却不会对马氏体（Ms）的其实温度造成大的改变。在快速冷却的过程中钢材非常容易有裂纹出现，而在里面添加一定量的铬就可以使钢在空气冷却的情况下产生贝氏体/马氏体的复相组织，可以十分好的解决这个问题。清华大学白秉哲教授等人在方鸿生教授的研究基础上研制了锰–硅-铬系贝氏体钢[8,9]。这种贝氏体在淬透性上表现得十分优秀，可以成功避免形成性能比较不好的上贝氏体、粒状贝氏体，从而就可以形成优秀的下贝氏体和马氏体的复相组织，下贝氏体形成的时间越早分割原奥氏体晶粒的的效率就越高从马氏体板条就得以细分也让它得到了十分优秀的强韧性匹配。锰系贝氏体钢的淬透性十分的优秀，就算是用热处理工艺去处理比较大的工件也还是可以得到十分充足的贝氏体。更不用说他低廉的成本与优越的性能使其具有超高的性价比，加之这种热处理技术十分易于推广现在已经在汽车、石油和铁路等方面有了广泛应用。1.2贝氏体钢轨简介贝氏体钢轨最初是是一种有碳化物的混合贝氏体，他的韧性并不乐观。不过如果通过合适的设计去添加成分像是一些硅元素或者铝元素这样的话就能够得到无碳化物贝氏体，它的韧性显著好于含碳化物的贝氏体[10]。从20世纪90年代至今，贝氏体钢轨主要是单一的无碳化物贝氏体、残余奥氏体、马氏体和下贝氏体的组织或多个复相组织[11]，合金主要还是以添加为锰-铬-硅-钼为主，通常情况下会添加百分之一左右质量分数的硅。相比于现有的珠光体钢轨，贝氏体钢轨的抗解除疲劳性能、耐磨性与服役寿命有明显的优势。如果运用恰当的方式去加强韧性它的抗拉强度可以达到1400MPa与此同时伸长率也会达到达到15%~18%，他可以在各个方面都有更加优秀的机械性能。正式因为它的综合性能十分优秀，所以对于研究开发新的贝氏体钢种现在许多国家都正在紧锣密鼓的进行着。参考文献[1]ZhongW,HuJJ,ShenP,etal.Experimentalinvestigationbetweenrollingcontactfatigueandwearofhigh-speedandheavy-haulrailwayandselectionofrailmaterial[J].Wear,2011,271(9-10):2485-2493.[2]张银花,周清跃,鲍磊,高怡斐,陈朝阳,李闯.国内外高速铁路钢轨性能对比研究[J].中国铁道科学,2015,36(04):20-26.[3]StockR,PippanR.RCFandwearintheoryandpractice—theinfluenceofrailgradeonwearandRCF[J].Wear,2011,271(1-2):125-133.[4]罗平.基于组织调控改善贝氏体钢轨钢的抗磨损和抗接触疲劳性能[D].北京交通大学,2016.[5]方鸿生,冯春,郑燕康,等.新型Mn系空冷贝氏体钢的创制与发展[J].热处理,2008(03):2-19.[6]方鸿生.Mn-B系空冷贝氏体钢耐磨材料的新发展[C].中国金属学会耐磨材料学术委员会、中国机械工程学会磨损失效分析与抗磨技术专业委员会.21世纪全国耐磨材料大会——第九届全国耐磨材料磨损失效分析与抗磨技术学术会议论文专辑.中国金属学会耐磨材料学术委员会、中国机械工程学会磨损失效分析与抗磨技术专业委员会:2000:26-28+43.[7]杨福宝,白秉哲,刘东雨，等.无碳化物贝氏体/马氏体复相高强度钢的组织与性能[J].金属学报,2004(03):296-300.[8]桂晓露,郭峰,高古辉,等.Cr对低合金MnCrB系贝氏体铸钢组织及耐磨性能的影响[J].铸造,2015,64(02):101-104.[9]高古辉,桂晓露,谭谆礼,等.Mn-Si-Cr系无碳化物贝氏体/马氏体复相高强钢的研究进展[J].材料导报,2017,31(21):74-81.[10]石素锦,余万华,王亚东,等.原位纳米高强韧贝氏体钢轨的组织[J].材料热处理学报,2019,40(03):94-101.[11]谭谆礼,高博,高古辉,张敏,桂晓露,白秉哲.国内外贝氏体钢轨的研发现状[J].金属热处理,2018,43(04):10-18.[12]WangK,TanZ,GaoG,etal.Ultrahighstrength-toughnesscombinationinBainiticrailsteel:Thedeterminingroleofaustenitestabilityduringtempering[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2016,662:162-168.[13]SteeleＲK.Alloyingconsiderationsforheattreatmentofrailtoalowerbainitemicrostructure[C]//39thMechanicalWorkingandSteelProcessingConferenceProceedings，1998:997-1006．[14]ClaytonP,JinN.Unlubricatedslidingandrolling/slidingwearbehaviorofcontinuouslycooled，low/medi