（钢铁冶金专业论文）稀土重轨钢热轧过程中再结晶行为及组织转变规律的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：，土重警印热轧过程中再结晶行为及组织转变规律的研究 作者： 杨希 指导教师：刘宁雁穆镬 协助指导教师： 单位：宇爹声尊孝芝夸学 论文提交日期：2 0 1 0 年0 6 月0 9 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： 稀土重轨钢热轧过程中再结晶行为及组织转变规律的研究 r e c r y s t a l l i z e da n ds t r u c t u r ec o n v e r s e ds t u d yo fr eh e a v yr a i l s t e e li nt h ec o u r s eo fh o tr o l l i n g 研究生姓名：杨希 指导教师姓名：刘宇雁 内蒙古科技大学材冶学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：y a n gx i s u p e r v i s o r ：l i u y u y a n s c h o o lo f m a t e r i a la n dm e t a l l u r g y i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 10 。p r c h 烈a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙 古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：盔嗑日期：冱臣：笸：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：雄导师签名：壶4 玺乒匕日期：2 幽 内蒙古科技大学毕业论文 摘要 本文以u 7 1 m n 、u 7 5 v 和r ei i 重轨钢为研究对象，进行稀土加入冶炼试验，采用 g l e e b l e - 1 5 0 0 d 热模拟试验机进行高温热塑性拉伸试验和再结晶压缩试验。 试验钢的冶炼即在u 7 5 v 中加入稀土元素，观察稀土重轨钢的夹杂物组织形貌。试验结果表 明，适量稀土的加入能改变夹杂物形貌，使其颗粒直径减小并分散分布，细化珠光体片间距。 在高温热塑性试验中，研究各温度段塑性的变化规律及微合金元素v 、n b 和r e 对重轨钢高 温热塑性的影响，对比分析拉伸试样的断口形貌。研究表明，第1 脆性区( 1 2 0 0 4 c - - 1 3 0 0 1 2 ) ，各 钢种的塑性非常低，接近为零；第1 i 塑性区( 8 5 0 ( 2 - - 1 2 0 0 c ) ，塑性良好；第1 i i 脆性区( 8 5 0 ( 2 以下) ，塑性下降。v 对重轨钢在第脆性温度区的塑性有较大的影响。断面收缩率曲线图显示， u 7 5 v 的断面收缩率均低于r ei i 的相应值，说明适量的稀土元素使奥氏体晶粒变小，有利于性能 的提高。 采用单道次压缩实验的方法，在g l e e b l e - 1 5 0 0 d 热模拟g tk 对u 7 1 m n 、u r 7 5 v 和r e 进行模 拟试验。通过比较在不同变形条件下的真应力真应变曲线及r t r 曲线，研究变形条件、微合金 元素对u 7 1 m n 、u 7 5 v 和r ei i 动态再结晶的影响。试验结果表明，变形温度越高，变形速率越 低，动态再结晶越容易发生；由于微合金元素v 、r e 的作用，使u 7 5 v 、r e l i 的动态再结晶开 始时间延长，变形奥氏体的动态再结晶的名义激活能提高，对奥氏体的动态再结晶起到抑制作用。 依据真应力真应变曲线，计算得u 7 1 m n 、u 7 5 v 和r ei i 动态再结晶激活能q 值、温度补偿变形 速率因子z 值，验证了微合金元素对重轨钢动态再结晶的影响。 通过对u 7 5 v 和r ei i 的单道次和双道次的压缩模拟实验，测定了两种钢在不同变形条件下 的真应力一真应变曲线及等温变形时在不同的道次间隙时问内的软化率，研究变形条件对静态再 结晶的影响，分析静态再结晶变化规律。依据单道次和双道次的变形工艺参数调整并制定多道次 变形工艺，抑制静态再结晶的发生，控制动态再结晶的发生，细化奥氏体晶粒尺寸，有效提高钢 材的综合力学性能。 关键词：稀土重轨钢；夹杂物；高温热塑性； 静态再结晶；动态再结晶 内蒙古科技大学毕业论文 a b s t r a c t u 7 1 m n , u 7 5 va n dr ei ia r ee m p l o y e di nt h i st e x t , s m e l tt h ei n g o t sw i t hr a r ee a r t hd e m e n t s ，m a k e u s eo f c l e e b l o - 1 5 0 0 dt h e r m a ls i m u l a t i o nm a c h i n et od oh i 【g ht e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i ct e n s i l et e s t sa n d r e c r y s t a u i z a t i o nc o m p r e s s t e s t s i n g o t ss m e l t e d i sa d d i n gt h eb l r ee a r t hd e m e n t st ou 7 5 vi n g o t , o b s e r v et h ei n c l u s i o nm o r p h o l o g y o fh e a v yr a i ls t e e l t h er e s u l ts h o w st h a t , s u i t a b l ec o n t e n to fr a r ee a r t he l e m e n t sa d d i t i o nc o u l dc h a n g e a p p e a r a n c eo ft h ei n c l u s i o n , d e c r e a s et h ed i a m e t e ro ft h eg r a ma n dd i s p e r s e d , t h i nt h es l i c es p a c eo f t h e p e a r l i t e m h i g l lt e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i ct e s t s , s t u d yt h ep l a s t i cv i t i a t i o ni ne v e r yt e m p e r a t u r er a n g e s , a n d s t u d yt h ee f f e c to fm i c r o - a l l o yd e m e n t s 、n ba n dr e o nt h eh i g h - t e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i co fh e a v y r a i ls t e e l , c o m p a r ea n a l y z i n gt h ef r a c t e da p p r e a n c co ft e n s i l es p e c i m e n t h er e s u l ts h o w st h a t , i nb r i t t l e z o n ei ( 1 2 0 0 c - - 1 3 0 0 c ) ，t h ep l a s t i c i t yo fe v e r ys t e e l s 矾v e r yl o w , n e a r l yo ；i nb r i t t l ez o n e ( 8 5 0 c - - ，1 2 0 0 c ) , t h e p l a s t i c i t y i s v e r y w e l l , i n b r i t t l e z o n e h i ( 1 0 w t h a n 8 5 0 c ) , t h e p l a s t i c i t y d e c r e a s e vh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo i lt h ep l a s t i c i t yo fh e a v yr a i ls t e e li nb r i t t l ez o n eh i s e c t i o ns h r i n k a g ec u r v e s h o w st h a t , t h es e c t i o ns h r i n k a g e so fu 7 5 va l el o w e rt h a nt h eo n e so fr ei i , t h a tm e a n ss u i t a b l ec o n t e n t o f r a r ee a r t hd e m e n t sc a nd e c r e a s et h e 蛐s i z et oi m p r o v et h ec a p a b i l i t y u 7 1 m n , u 7 5 va n dr ei ia r ee m p l o y e di ns i n g l e - p a s sc o m p r e s s i o nt e s tb yc l e e b l e - 15 0 0 dt h e r m a l s i m u l a t i o nm a c h i n e b yc o m p a r i n gt h et r u es t r e s s - t r u es t r a i ne u r v ca n dr t rc i i i v oa td i f f e r e n t d e f o r m a t i o nt os t u d yt h ee f f e c to fd e f o r m a t i o na n dm i c r o - a l l o yd e m e n t so nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no f u 7 1 m n , u 7 5 va n dr ei i t h er e s u l ts h o w st h a t , t h eh i g h e rt h ed e f o r m i n gt e m p e r a t u r ea n dl o w e r d e f o r m i n gs p e e d , t h ee a s i e rt h ed y n a m i cr e c r y s t a l i z a t i o no c c u n e d , b e c a u s co ft h ee f f e c t so fm i c r o - a l l o y e l e m e n t sva n dr e ，t h eb e g 蛐gt i m eo fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no fu 7 5 va n dr ei i i sd e l a y e d , s o t h a td y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo fd e f o r m e da u s t e n i t ei si n c r e a s e , s oi tc a l lr e s t r a i n a u s t e n i t i cd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n a o x o r d i n gt r u es t r e s s - t r u es t r a i nc ( k v i 篙w ec 缸c a l c u l a t ed y n a m i c r e c r y s a t l l i z a t i o na c t i v i a t ee n e r g yq a n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e ds t r a i nr a t ef a c t o rzo f u 7 1 m n 、u 7 5 v a n dr ei i ，w h i c hc a np r o v i d ea c c o r d i n g st oc o n t r o lt h es t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t y d e t e r m i n et h et r u es t r e s s - t r u es t r a i nc u r v e so ft h et w ok i n d ss t e e l sa td i f f e r e n td e f o r m i n gc o n d i t i o n a n di n t e m e r a t er a t e so ft h e ma td i f f e r e n td e a r a n c et i m ew h e ni s o t h e r m a ld e f o r m a t i o nb ys i n g l e - p a s sa n d d o u b l e - p a s sc o m p r e s s i o ns i m u l a t i o nt e s tw i t hu 7 5 va n dr ei i ，s t u d yt h ee f f e c to ft h ed e f o r m a t i o n c o n d i t i o no ns t a t i cr e c r y s t a l l l i z a t i o n , a n a l y z et h ev a r i e t yo fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n a c c o r d i n gt o s i n g l e - p a s s a n dd o u b l e - p a s sc o m p r e s s i o nd e f o r m i n gd a t at o a d j u s ta n dd r a wu pt h em u l t i - p a s s c o m p l - ( 吞s s i o l lt e c h n i c s ，r e s t r a i ns t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c e u r i n g , c o n t r o lt h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n o c e u r k 鸥r e f i n ea u s t e n i t i cg r a i ns i z et oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e se f f e c t i v e l y u 内蒙古科技大学毕业论文 k e yw o r d s ：r a r ee a r t he l e m e n th e a v yr a i ls t e e l ；i n c l u s i o na p p c m r m l c e ； i i i 内蒙古科技大学毕业论文 。 目录 摘要i a b s t r a c t i i j j i言1 l 文献综述2 1 1 前言。2 1 2 选题背景2 1 3 国内外钢轨的研究现状3 1 3 1 国外钢轨的研究、使用和发展情况3 1 3 2 国内高强钢轨的研究和使用情况4 1 3 3 实现钢轨强化的主要途径有两条：热处理强化和合金强化。7 1 4 高温热塑性研究理论基础 7 1 4 1 微合金元素的影响与应用7 1 4 2 高温热塑性理论 1 5 金属热变形过程中的再结晶行为研究。l o 1 5 1 材料动态再结晶研究的理论基础 1 5 2 影响动态再结晶的因素：1 3 1 5 3 静态软化率及软化曲线分析1 3 1 6 研究目的及任务1 4 2 试验设备及方法 2 1 稀土添加及高温热塑性试验。1 4 2 1 1 试验设备1 4 2 1 2 试验材料1 4 2 1 3 试验方法拉伸试验矗1 5 2 2 动态再结晶试验。16 2 2 1 试验设备l6 2 2 2 试验材料。1 6 2 2 3 试验方法一压缩试验17 3 稀土重轨钢组织分析及高温热塑性研究2 0 3 1 试验钢冶炼2 0 3 1 1 稀土元素对珠光体片间距的影响2 1 3 1 2 稀土对夹杂物的影响2 l 3 2u 7 1 m n 、u 7 5 v 、r ei i 连铸钢1 i r t 曲线2 3 3 3r ei i 试样在典型温度下的断口形貌分析：2 4 内蒙古科技大学毕业论文 4 重轨钢再结晶行为研究j 2 6 4 1 重轨钢动态再结晶的影响因素2 6 4 1 1 变形条件对重轨钢动态再结晶的影响2 6 4 1 2 微合金元素对重轨钢动态再结晶的影响2 9 4 1 3u 7 l h 1 、u 7 5 v 、r ei i 的i u t 曲线。3 3 4 1 4 变形激活能的计算3 4 4 1 5 峰值应力0p 、峰值应变p 、临界应变c 与z 参数的关系3 7 4 2 多道次变形工艺的制定3 9 4 2 1 单道次变形中的动态再结晶的分析3 9 4 2 2 双道次变形过程中的静态再结晶的分析4 3 4 2 3 多道次变形再结晶的分析5 l 1 2 ；论5 2 参考文献5 3 在学研究成果5 6 致谢5 7 内蒙古科技大学毕业论文 引言 我国主要以铁路运输为主。国民经济的飞速发展，需要铁路进一步提高行车速度、缩短行车 间隔以及增加机车轴重来提高运量密度。这就对钢轨的质量和性能提出了更高的要求。 钢轨的使用表明，其伤损形式主要有以下几种：接触疲劳伤损、疲劳核伤、钢轨磨损、波浪 磨耗、钢轨擦伤、螺栓孔裂纹等。为了防止这些伤损的出现，要求钢轨有较高的强度和韧性配合。 我国铁路目前铺设的铁轨大多数是8 0 9 0 公斤强度级的普通碳素钢轨及低合金钢轨，已经 不能完全满足铁路运输的要求，因此，迫切需要开发高强钢轨。 本论文主要研究稀土重轨钢热轧过程中再结晶行为及组织转变规律。研究稀土添加量对重轨 钢组织和性能的影响，观察微观组织结构的前后变化。研究在7 0 0 ( 2 1 3 0 0 各温度区间高温热 塑性，研究变形温度与断面收缩率的对应关系，观察断口组织形貌。研究在不同参数条件下动态 再结晶的过程，绘制真应力真应变曲线及r t i 曲线，计算再结晶百分数，得出微合金元素和工 艺条件对动态再结晶的影响。研究单道次、双道次$ l n 变形时重轨钢的再结晶行为及组织转变规 律，测定软化率，绘制软化曲线，并根据统计数据制定并调整多道次轧制工艺。 ，i 一 内蒙古科技大学毕业论文 l 文献综述 1 1 前言 我国主要以铁路运输为主。国民经济的飞速发展，需要铁路进一步提高行车速度、缩短行车 间隔以及增加机车轴重来提高运量密度。这就对钢轨的质量和性能提出了更高的要求。 钢轨的使用表明，其伤损形式主要有以下几种：接触疲劳伤损、疲劳核伤、钢轨磨损、波浪磨 耗、钢轨擦伤、螺栓孔裂纹等。为了防止这些损伤的出现，要求钢轨有较高的强度和韧性配合。 我国铁路目前铺设的铁轨大多数是8 0 - - - - 9 0 公斤强度级的普通碳素钢轨，已经不能完全满足 铁路运输的要求，因此，迫切需要开发高强钢轨。 1 2 选题背景 我国以铁路为主要运输手段，铁路所负担的运输任务极其艰巨。铁路负载重，行车速度慢是 我国与发达国家的主要差距。近年来铁道部多次客车提速，仍不能满足经济快速发展的需要。因 此提高行车速度、建设高速铁路是铁道部门一直以来的工作重点。近年来，铁道线路正向安全、 高速、重载的方向发展。高速铁路有着快速、方便、舒适的特点和运力大、能耗低、污染小、占 地少、成本低等优势。为适应现代化社会发展需求，我国必需在已有高速铁路技术的基础和条件 上发展具有自身特色的高速技术。 传统的热轧普碳轨和中锰钢已经不能满足高速铁路使用性能的要求。随着我国铁路运输事业 的发展，对钢轨性能提出了更高的要求，生产含铌、钒、钛及稀土微合金化重轨钢已成为企业的 重要手段。目前，全世界生产的含铌钢钢材接近3 0 0 万吨，含钒钢钢材接近5 0 0 0 万吨【l 】o 包钢研 制生产的稀土微合金重轨钢( b n b r e ) ，其强度级别在国内属顶尖级水平，抗拉强度最高达到 11 0 0 m p a 左右，平均强度大于1 0 0 0 m p a ，耐磨性能好，寿命长。b n b r e 这种稀土微合金重轨钢 是我国开发的新一代钢轨产品。因此研究稀土微合金重轨钢具有广泛而深远的意义和价值。 我国有丰富的稀土、n b 、v 、t i 等资源，稀土铜磷耐候钢、稀土耐热钢及合金、含铌或钒稀 土重轨钢、含铌( 钒) 稀土管线钢、含钒或锰的稀土结构钢等都已工业化生产，稀土能显著提高 钢的塑韧性、成型性、耐蚀性、耐磨性、耐疲劳等性能，使合金钢获得更为优越的综合性能。因 此，发展具有我国资源优势的合金钢系列是稀土微合金钢的研究重点，也是把资源优势转化为产 品优势和经济优势，开发性能优越的稀土新钢种，满足市场需要的一条正确途径。因此，稀土在 合金高强度钢中有广泛的应用前景1 2 】。 应用控制轧制和微合金新技术生产高强韧性、耐磨性重轨钢是一个新的发展方向。近几年来， 包括我国在内的全球主要国家对钢材的需用量同其国民经济产值有明显地对应关系，钢材被认为 是材料的支柱，原因是经过高技术改造，钢铁工业发生了根本变化，推出了很多性能优越的“高 技术钢材”，促进了相关工业的发展。微合金钢就是这些“高技术钢材中用量最大的一种。展 内蒙古科技大学毕业论文 望2 1 世纪，微合金钢既有利于环境保护又有技术发展深度，在我国高压输气管线、造船和建筑 钢结构方面将会有有进一步地发展，应列为创新项目，重点扶植，注意跟踪并及时开发，以带动 钢铁工业技术的改造和发展。 1 3 国内外钢轨的研究现状 1 3 1 国外钢轨的研究、使用和发展情况 钢轨从强度上可分为普通轨和高强轨。在国外，0b 7 l l o o m p a 的钢轨为高强轨，一般是在 普通轨的基础上添加微合金元素、稀土元素，或者对普通轨、微合金轨进行热处理。普通轨一般 分为为碳素轨和中锰轨。 俄罗斯、日本、美国等国家的普通轨为碳素轨，高强轨多数是对碳素轨和微合金轨进行热处 理，也有少量的合金轨。表1 1 、表1 2 列出了三个国家的碳素轨和热处理轨的化学成分及性能。 表1 1 前苏联、日本、美国典型碳素钢轨化学成分及性能 表1 2 前苏联、日本、美国典型热处理钢轨化学成分及性能 西欧各国多用低碳中锰轨作为普通轨，高强轨则以合金轨为主。表1 3 列出西欧国家碳素轨 和几种合金轨化学成分及性能。 内蒙古科技大学毕业论文 表1 3 西欧国家碳素轨和几种合金轨化学成分及性能 由于热处理钢轨的优势，西欧等国家除了发展合金轨外，也开发了热处理钢轨，并对钢轨的 在线热处理工艺进行了大量的探索研究。1 9 8 6 年以来，法国、卢森堡、英国等国家先后建起了离 线、在线热处理钢轨生产线，生产碳素及合金热处理钢轨。表1 4 列出卢森堡、英国、德国、法 国等国家在线、离线热处理钢轨化学成分及性能。 表1 4 西欧等国家热处理钢轨化学成分及性能 随着铁路技术的进步与发展，尤其是为了提高运输效率而采用重载高速钢轨后，对钢轨钢抗 疲劳性能和抗磨耗性能提出了更为严格的要求，因此各国7 0 年代就开始研制其它高强钢轨钢。( 1 ) 日本新日铁公司开发研制的过共析钢轨钢就是在共析钢轨钢的基础上增加碳的含量，从而增加珠 光体组织中f 0 3 c 片的厚度，使过共析钢具有更高的耐磨性和抗疲劳性能。( 2 ) 英钢联、德国t h y s s o n s t a r h l 和日本n k k 从8 0 年代起先后开发了贝氏体钢轨。t h y s s e ns t a r h l 研究的钢轨轨头硬度为 4 2 5 h b 。目前，贝氏体钢轨已经在挪威的重载线路上进行铺设试验。据报道，其耐磨性能明显优 于热处理钢轨。( 3 ) 9 0 年代，钢轨制造商日本n k k 、美国铁路和b u r l i n g t o nn o r t h e r n 联合开发了 被称为“抗破损的热处理钢轨钢。这种钢已经在b u r l i n g t o nn o r t h e r n 进行了试验，其结果令人 非常满意。 。 1 3 2 国内高强钢轨的研究和使用情况 我国生产钢轨的厂家有鞍钢、包钢、攀钢和武钢等，几种典型普通碳素轨的化学成分及性能 列于表1 5 中。 内蒙古科技大学毕业论文 表1 5 攀钢和包钢几种普通钢轨化学成分及性能 钢种 化学成分僖 机械性能 cm ns iob ( m v a )65h b u 7 1 m n0 6 5 - 0 7 71 0 0 - 0 5 00 1 5 - 0 3 5 8 8 0i 82 6 0 9 0 0 a0 6 0 - 0 8 00 8 m 1 3 00 1 0 - 0 5 0 8 8 01 02 6 0 我国强化钢轨的发展以热处理为主。早在6 0 年代，我国的冶金和铁道两部门就开始了钢轨 热处理技术方面的共同探索和研究。到目前为止，攀钢拥已经拥有了自己的离线和在线钢轨热处 理生产线，年生产能力达3 5 万吨左右。而铁道部门也相继在各铁路局建起了1 6 条钢轨全长热处 理生产线。每年可为铁路生产热处理钢轨钢约1 0 - 2 0 万吨。 尽管我国微合金钢轨、合金钢轨的研究和使用仍落后于其它国家，但各部门一直都没有放弃 这一工作的探索和研究。攀钢、包钢于9 0 年代初分别研制成功了我国自己的微合金钢种p d 3 、 b n b r e ，其化学成分及性能见表1 6 ，并进一步对这两种微合金钢轨钢进行热处理试验和研究。 表1 6 国内几种微合金钢轨化学成分及性能 攀钢p d 3 微合金热处理钢轨上道铺设结果表明，在小半径曲线上，微合金热处理钢轨的耐磨 性能比普通轨提高了3 倍以上，比u 7 4 淬火轨提高了l 倍以上。包钢的b n b r e 热处理轨上道铺 设结果表明，在r 弋 5 0 0 m 的曲线上，其使用寿命比u 7 4 热轧轨提高了3 5 倍。 我国铁路发展需要高强度钢轨，铁路发展的快慢将直接影响国民经济的增长。 截至2 0 0 8 年底，我国共有铁路7 万余公里，其中山区弯道约占线路总长度的4 0 - - 5 0 。 这些线路均具有半径小( 1 0 ) 、运输繁忙等特点。如京广、京沪和京哈等干线 以及大秦、石太和太焦等运输干线，年运量大约在6 0 0 0 万吨以上，个别区段已超过l 亿吨。一 般行车间隔为1 5 - - 2 0 分钟，某些区段行车间隔仅为1 0 分钟或者更短。因此，大运量、高密度是 目前我国铁路运输的基本特征。 我国国民经济的快速发展，要求铁路进一步提高行车速度、缩短行车间隔以及增加机车轴重 来提高运量密度，这就对钢轨的质量和性能提出了更高的要求。 钢轨的使用表明，其伤损形式主要有以下几种形式【3 只1 0 】：钢轨磨损，由于钢轨强度不足，在 小半径曲线上被轮缘磨掉；接触疲劳伤损，主要发生在曲线地段，钢轨踏面出现鱼鳞状裂纹和剥 离掉块；疲劳核伤，在运量大的地段裂纹源疲劳扩展，引起钢轨横向断裂、波浪磨耗、钢轨擦伤、 螺栓孔裂纹等。为了防止这些伤损的出现，要求钢轨有较为纯净的内部质量，高的抗拉强度和屈 服强度，高的塑性指标，即良好的强度和韧性配合。 内蒙古科技大学毕业论文 在曲线段上，轮轨接触应力往往高达9 8 0 m p a 以上，这大大超过了一般碳素钢轨钢的屈服强 度。u 7 4 普通碳素轨其抗拉强度为7 8 0 m p a 级，屈服强度不足5 0 0 m p a ，u 7 4 钢轨的耐磨性在曲 线地段表现出明显的不足。据资料显示，u 7 4 普轨在半径为5 0 0 m 的曲线上，通过的总重为1 5 亿吨时，轨头侧磨可达2 2 1 1 1 m 【4 】；u 7 4 普轨在北京局大同段北环线上使用1 6 个月左右，侧磨就可 达到1 4 4 m m ，波磨达1 8 m i n t s ；在天水至兰州段波浪磨耗达4 m m ；在哈尔滨铁路局半径为5 0 0 m 的弯道上( 年通过总重为5 8 6 2 万吨公里，公里) 最短的使用寿命仅为4 个月，上道仅11 0 天侧磨就 己达到1 8 8 m m ，侧磨率高达1 0 7 r a m m r l 6 。图1 1 列举了钢轨在使用中出现的几种严重的损伤图 片【7 叫。 ( a 1 1 钢轨的典型损伤 ( a )钢轨工作面严重磨损( b )钢轨端部掉块 ( c ) 钢轨轨顶角严重核伤 ( d ) 钢轨螺栓孔裂纹 国际铁路联盟建议，当年通过总量为5 0 0 0 万吨公里年公里以上或轴重大于2 2 吨时，不论直 线或者曲线，一律铺设高强钢轨。按此建议，目前我国多数线路都应铺设高强度钢轨。 我国铁路目前铺设的基本上都是8 0 - - 0 0 公斤强度级的普通碳素钢轨，仅仅是小半径曲线上 铺设了数量相当有限的碳素淬火轨。随着近年来列车运行速度、运行密度及轴重的不断提高，钢 轨的磨耗和疲劳损伤不断加剧，使用寿命也越来越短，养护、维修工作量日益加大。当前钢轨的 性能已经不能满足铁路运输的要求。为了适应铁路发展的需要，研究开发高强钢轨十分必要。 内蒙古科技大学毕业论文 1 3 3 实现钢轨强化的主要途径 ( 1 ) 热处理强化 热处理是提高钢轨强韧化性能的最有效和最经济的方法之一。所谓热处理强化是将钢轨加热 至奥氏体化温度后，施以控制冷却，得到精细的片状珠光体组织的方法。珠光体组织是由软的铁 素体片和硬的渗碳体片交替构成的。研究表明，片间距细小的珠光体组织因铁素体片和渗碳体片 非常薄，相界面较多，抗塑变能力强，因此，强度较高。此外，热处理可以细化奥氏体晶粒，因 而提高钢的塑韧性。普通碳素钢轨经过热处理后有相当好的强韧性配合，抗拉强度可达1 2 0 0 m p a 以上，韧性指标也比轧态钢轨提高1 倍以上。淬火钢轨的耐磨性可以比碳素轨高2 3 倍。此外， 淬火轨淬硬层的残余应力为压应力，这对改善钢轨的疲劳性能也有很大的积极作用。 ( 2 ) 合金强化 合金强化是钢轨钢的另一种强化途径。钢中加入微合金元素s i 、m n 、c r 等，除了固溶强化 基体外，还可使c c t 曲线向右移动，相同冷速下可获得片间距更为细小的珠光体组织，以提高 其强度。钢中加入强碳化物形成元素n b 、v ，当固溶到奥氏体中去后，可使c c t 曲线向右移动， 起到延缓珠光体转变的作用。当形成第二相颗粒时，起到析出强化的作用。此外，无论是固溶态 还是析出态的n b 和v ，都可以延缓奥氏体再结晶，起到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。 对钢轨采用合金强化还是采用热处理强化需要综合考虑一个国家的合金资源、钢轨用量和铁 路运输强度等因素。总的来说，一个国家钢轨用量较少、铁路运输强度小且富含强化钢轨的合金 元素，则宜对钢轨进行合金强化处理。反之，则宜对钢轨进行热处理强化处理。 合金钢轨的发展趋势是开发具有良好焊接性能且又适合于热处理的微合金钢，此种钢轨能够 在合金元素强化的基础上，再经热处理得到更高强度的钢轨，且塑性和韧性并不降低。 1 4 高温热塑性研究理论基础 1 4 1 微合金元素的影响与应用 我国重轨钢的生产研究中，添加的微合金元素主要有n b 、v 、t i 等，它们对重轨钢的性能有 着极为显著的影响。微合金元素的研究和应用丰富和发展了合金钢强韧化原理。其中以钒的应用 最为广泛和有效，含钒钢及钒、钛、铌微合金钢的开发与应用的前景极为广阔。 钒、铌、钛等微合金元素具有阻碍晶粒长大、提高淬透性、阻止形变奥氏体动态再结晶及改 善钢的综合性能等作用，使钢材具有高强度，高耐磨性，强韧性和抗疲劳的性能。但在连铸过程 中，钢中微合金元素的细微碳、氮化物的析出，使钢的高温热塑性变差，致使微合金化钢连铸坯 表面裂纹尤其是横裂、角横裂发生频繁。充分认识微合金化钢中碳、氮化析出物对高温热塑性的 影响，减轻并防止铸坯裂纹的产生，才能最终获得综合性能良好的稀土微合金重轨钢。 微合金化元素在钢中的主要作用为固溶强化、晶界偏聚和析出物、碳化物的沉淀析出。微合 金元素与碳、氮原子的交互作用，产生了晶粒细化、析出强化、动态再结晶控制、夹杂物改性等 内蒙古科技大学毕业论文 一系列的作用，这些因素对钢的强韧化起了很重要的作用。微合金钢中的卜m 、v 、西等微合金元 素总量在o 1 5 以下时，在加热、保温、冷却和形变过程中，碳、氮化物具有溶解、析出等行为， 对其综合性能具有极为显著的影响。 1 4 2 高温热塑性理论 影响钢的塑性而产生裂纹的原因很多，工艺和操作条件是裂纹产生的外部原因，内部原因则 是钢的高温力学性锹u 1 。 m i n t z 详尽地阐明了钢的高温热塑性( 一般用断面收缩率1 l r 来表示) 与横裂纹的关系【5 1 翱。 比较理想的情况是精心选择高温拉伸测试条件，使其尽可能精准地模拟连铸过程中的矫直操作。 高温拉伸测试条件是将试样加热到1 3 5 0 ( 2 左右，充分溶解微合金元素、晶粒细化元素，并充分粗 化晶粒使其恢复到铸态时的原始晶粒尺寸，应变速率为1 0 3 1 0 4 s 。冷却速率与连铸生产时的平 均冷却速率相对应。通常用面缩率( 1 l ，) 来表征钢的高温热塑性，当固溶处理温度为1 3 5 0 c 、应变 速率为3 x l o - 3 s 时，v 大于4 0 ，就可以确保避免横裂纹的产生。这种方法还可以说明一些有害 元素的影响，如铌和铝形成碳、氮化物将导致横裂纹的产生。 研究钢的高温力学性能的目的在于研究钢的脆化机理，并找出钢的脆性温度区域，为实际连 铸操作提供合理的参数依据。 七十年代后，很多研究者系统地研究了钢的高温力学性甜5 3 州。试验研究结果表明：从熔点 附近到6 0 0 c 存在三个明显的脆性区域，如图1 2 所示。第1 脆性区的温度范围为熔点, - 1 2 0 0 。c 左 右；第1 i 脆性区的温度范围在1 2 0 0 。c 一9 0 0 c 左右；第脆性区的温度范围在9 0 0 。c - 一6 0 0 c 左右。 由于钢的化学成分及应变速率等变形条件的差异，有时在三个区域范围内会产生脆性区的重叠。 1 ) 第1 脆性区 从钢的熔点到1 2 0 0 ( 2 左右，钢的脆性断裂主要是沿树枝晶界面展开的。当钢中的o 、s 、p 等杂质元素的含量增大时，树枝晶间的液膜凝固点就会降低，晶粒间的液相量增大，脆性区温度 范围会向低温处延伸。 当钢液的温度下降到液相温度以下时，钢液中出现凝固相。在固相线温度t s 以上2 0 。c 一3 0 c 内蒙古科技大学毕业论文 时，晶体间开始可以传递微小的拉力，表现出微弱的强度当温度继续下降时，凝固相与液相的 混合体能够承受的拉伸力继续增加，但断面收缩率v = o 温度在固相线温度以下4 0 - - 5 0 c 时， 塑性逐渐好转，断面收缩率大于零。 第1 脆性区的一个重要特征是钢的塑性与应变速率无关铃木洋夫等人【明的实验结果表明， 在1 2 0 0 。c 一- 1 5 0 0 c 的温度范围内，断面收缩率v 不随应变速率变化而有所变化。影响第1 脆性区 的因素主要是杂质元素o 、s 、p 等，随着杂质元素含量的增加，第1 脆性区温度范围向低温移动。 2 ) 第1 i 脆性区 铃木洋夫等人的试验研究结果【蚓表明，在1 2 0 0 ( 2 - - - ，9 0 0 c 温度范围内，断面收缩率、i ，心o 时，试样为沿晶断裂；当断面收缩率、i 删时，试样断裂为穿晶断裂。低塑性的断口表面由几p m 直径大小的韧窝和窝内0 2 - - 0 5 | lm 大小的沉淀物组成。x 射线分析表明，这些沉淀物分别是 f e - m n - o 、f e - m n - s 和灿- o 系化合物。由此推断第1 i 脆性区的脆化机理为：在高温奥氏体中固溶 的s 、o 等杂质元素以口时出1 ) o 、( f e , m n ) s 、a 1 2 0 3 等形式在奥氏体晶界处沉淀，沉淀物沿晶界长 大，降低了晶界强度，在应力的作用下在晶界处产生裂纹，裂纹沿晶界扩展、延伸，长大，造成 沿晶断裂。奥氏体晶界上的析出物越多、越细小，钢的脆化现象越严重。通过降低钢中s 、o 、p 等杂质的含量，可以有效减轻该区域的脆化【5 7 翮。 在第1 i 脆性区：脆化程度与应变速率成正比，当应变速率小于1 0 - 时，则不会产生脆化现 象；随着应变速率的增加，脆化现象显现。钢凝固后缓冷或高温变形前保温，可以减轻该区域的 脆化现象。 3 ) 第i 脆性区 第脆性温度1 x ( 9 0 0 c - - 0 0 c ) 时，在较低的应变速率( 小于l 嘲下就可出现，所以在连铸 弯曲矫直过程中产生的铸坯裂纹与第i 脆性区的脆化有密切的相关性眇, 6 0 l 。s h e l b y t 6 1 1 认为由于发 生奥氏体相变，滑移系减少，变形连续导致塑性降低。 第脆性区钢的脆化主要受s 及微合金元素的影响 5 4 1 。对铝脱氧钢和微合金化钢来说，钢中 固溶的n b 、a i 、v 等元素以碳氮化物形式在晶粒内部和晶界上析出，强化了晶粒弱化了晶界， 变形集中在晶界处，导致沿晶断裂。 实验表明【5 5 】，微小的碳、氮化物颗粒在晶粒内部及晶界上动态析出，晶界附近的强度将有所 降低。在奥氏体高温范围内，动态再结晶的发生使晶界迁移，从而阻止了微裂纹的聚合和长大。 如果此时发生铁素体相变，铁素体将在奥氏体晶界处形成薄网状，铁素体比奥氏体的屈服强 度低，因此，变形集中发生在铁素体中，在铁素体中形成空洞，空洞聚合长大，奥氏体晶界处发 生断裂。断口形貌与沿晶断裂极为相似，但是如果放大观察，可以看到铁素体在原奥氏体晶界处 形成浅韧胃5 9 】。关于铁素体析出的研刭5 8 】主要集中在轧钢领域，连铸或模拟连铸过程中铁素体析 出行为的研究目前一来还比较少。 奥氏体在应力作用下变形时，晶界处位错密度增大，晶界能提高，此时析出的铁素体为应力 诱导析出铁素体。应力诱导析出铁素体可以在a r 3 温度( 实际冷却速率下的开始转变温度) 以上形 成，有时可能高达到a c 3 温度。随着铁素体膜厚度的增加，塑性逐步好转，断口也向韧性断裂模 内蒙古科技大学毕业论文 式过澍1 2 1 。 第1 i i 脆性区温度范围内：脆化程度与应变速率成反