一种新型非调质贝氏体鱼尾板材料的性能研究

一种新型非调质贝氏体鱼尾板材料的性能研究

鱼尾板是连接钢带的主要连接组件，可以承受各种张力负荷，如牵引、压、弯曲和其他张力负荷。这是铁路的薄弱环节，在对列车的安全稳定运行中起着非常重要的支撑作用。为了满足经济发展的需要,铁路运输不可避免的向高速、高轴重方向发展,然而,这些都会加重对轨道及其部件的损坏。调查表明,国内生产的鱼尾板表面脱碳严重,易引起微动磨损及疲劳裂纹萌生;它的基体为珠光体加少量网状铁素体组织,晶粒粗大,冲击值低,冷脆转变温度高,易低温脆断。因此,旧的鱼尾板材料性能已经不能满足铁路发展的需求,迫切需要研究出性能更好、更适用的新材料。随着贝氏体相变理论及工程应用研究的进展,贝氏体组织优良的强韧性配合引起了各国钢轨及鱼尾板研究者的注意,并进行了大量的研究。本工作研究的鱼尾板材料为非调质贝氏体鱼尾板钢材,以代号Y表示。1拉伸和冲击试验材料化学成分分析采用CS-344红外分析仪和ICP能谱仪;布氏硬度实验采用型号为HB-3000布氏硬度计;用型号为CFF2220液压万能试验机按GB228-1987《金属拉伸试验方法》进行拉伸实验,拉伸试样为直径d0=10mm、原始标距长度L0=5d0的比例试样。实验温度分别为:16(室温),0,-15,-20,-30,-40℃和-55℃;冲击试验试样为V型缺口标准试样,其尺寸为10mm×10mm×55mm,采用型号为GB—30B的冲击试验机按GB229-1984《金属夏比冲击试验方法》进行冲击试验。实验温度为:16(室温),0,-5,-10,-13,-15,-20,-30,-45℃和-60℃。拉伸和试验断口分析采用型号为JSM-5600LV扫描电镜。2结果与分析2.1等合金元素对材料Y的成分进行了化学分析,所得结果见表1。从表1可以看出材料为低碳微合金化钢,Mn,Cr,Ni,Cu,V,Si等合金元素主要通过固溶强化或与碳、氮原子形成碳、氮化物引起晶粒细化和第二相的析出强化,从而提高钢的强度和韧性。B7钢的元素成分组成为C:0.5~0.62,Si:0.15~0.35,Mn:0.5~0.8,P:<0.045,S:<0.055。对比表1可以看出,B7为中碳钢,P,S等杂质较Y要高,并且所添加的合金元素不论种类上还是质量分数上都比Y要少。2.2铁素体的岛屿图1为材料Y的金相组织形貌图。从图1中可以看出材料Y的组织是粒状贝氏体,即在铁素体的基体中分布着不连续的岛状物。小岛是由富碳奥氏体分解形成的,小岛内有马氏体及残余奥氏体,称为M-A岛(Martensite-AusteniteIsland)。同一晶粒中不连续长条状小岛趋于平行地分布在铁素体基体中。2.3材料的硬度和布硬度作为铁路接头连接件的鱼尾板,铁道行业标准TB/T2345-93《43~75kg/m钢轨用鱼尾板供货技术要求》中规定B7钢材鱼尾板材料的硬度区间为230~390HB。选取3个样品,每个样品随机测出3个硬度值并求平均值,得出材料Y的布氏硬度为285.1HB,可见其硬度值处于要求区间的中上水平。材料Y中存在的合金元素如Mn,Si,Cr,V等比B7钢高,因此虽然为低碳钢,但是由于合金元素固溶强化铁素体以及形成碳化物,使其硬度仍然能达到要求。2.4延长性能2.4.1y材料的拉伸性能按照TB/T2345-93《43~75kg/m钢轨用鱼尾板供货技术要求》中规定,国内常用鱼尾板用钢及材料Y的常温拉伸性能表2。从表2中可以看出,常温下材料Y的各项拉伸性能较B7,56Nb都有了很大的提高,特别是断面收缩率ψ超出1倍多,可见常温下Y材料的强度和韧性比以前的鱼尾板都好,这可以从两方面来解释。首先是合金元素的作用:材料Y中的合金元素高于B7钢,合金元素一部分溶于铁素体,一部分形成碳化物从而引起晶粒细化和第二相的析出强化,从而提高金属的强度和韧性;另一个方面就是组织因素:材料Y的组织为粒状贝氏体,M-A小岛弥散分布在铁素体基体上,具有很好的强韧性配合,而B7钢组织为珠光体加少量网状铁素体,晶粒粗大,强韧性较差。2.4.2拉伸性能和屈服性能在常温拉伸的基础上再对材料Y的低温拉伸性能进行研究,实验温度分别为0,-15,-20,-30,-40℃和-55℃,其拉伸性能-温度变化曲线如图2所示。由图2可以看出,随着温度的降低,材料Y的抗拉强度σb呈上升趋势;屈服强度σ0.2相对平缓,变化不大;并且屈服强度与抗拉强度的差距随着温度的降低逐渐增加,这是体心立方金属的特点;伸长率δ、断面收缩率ψ随温度的降低均大体呈下降的趋势,0℃时伸长率δ下降得最为明显。随着温度的下降位错发动更困难,可动位错密度小,宏观表现就是,材料的抗拉强度和屈服强度有所增加,伸长率和断面收缩率减小,并且抗拉强度比屈服强度增加得更快一些;但是,由于温度的作用相对有限,所以其抗拉强度和屈服强度在低温阶段虽然升高,但是升高不会太多。2.5冲击功与温度的关系为了评定材料Y的韧脆性能,对材料Y进行常温及低温冲击试验,所得结果与国内常用的B7钢及日本鱼尾板板进行比较。图3为Y,B7钢及日本板冲击功大小随温度的变化曲线。由图中可以看出,温度为-60℃时材料Y的冲击功(Akv)大约为6J,与B7钢及日本鱼尾板相当,但在-60℃以上,冲击功明显比后两者好。取0.4Akv(室温)所对应的温度作为材料的韧脆转变温度,则材料Y转变温度为-20℃。由前面的实验结果可知,材料Y的P,S含量少,材质较为纯净,另外晶粒组织细小,这些都是使其韧脆转变温度较低的因素。2.6sem断裂带分析2.6.1纤维区形貌分析根据材料Y的拉伸性能-温度曲线(图2)选取温度分别为16(室温),0,-20,-55℃的拉伸试样断口进行扫描分析。图4是不同温度下纤维区形貌。随着温度的降低,形貌变化并不明显,断口上分布着大量较为细小的韧窝和撕裂棱并伴有孔洞,韧窝中有第二相粒子的存在。通过观察拉伸断口的SEM形貌可以知道,材料Y在温度为16~-55℃拉伸时发生的断裂特征变化不大,均为韧性断裂。2.6.2剪切韧窝和断口形貌根据材料Y的冲击功-温度曲线,选取实验温度分别为16(室温),0,-20,-60℃时的冲击试样进行扫描观察。图5是不同温度下靠近V型槽区域形貌。可以看出,图5a中有大面积的细小韧窝存在,随着温度的降低,细小韧窝逐渐减少,图5c和图5d几乎已经没有韧窝的存在。图6是不同温度下的最后断裂区域形貌。图6a时断口呈现出许多抛物线形状的剪切韧窝;图6c时剪切韧窝明显减少,表明脆性逐步增大;在图6d时,断口形貌很平整,几乎没有韧窝的存在,只剩下解理断裂特征。通过观察冲击断口的SEM形貌可以知道,材料Y随着冲击温度的降低,韧性断裂的特征逐渐减少,宏观表现即为冲击功逐渐减少。3材料的冲击性能(1)鱼尾板材料Y为低碳微合金化贝氏体钢,室温组织为粒状贝氏体。(2)室温下材料Y的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率均远远