趙強 王文濤

鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司， 北京 102202

鐵路道岔基本功能是實現(xiàn)線路交叉，轍叉是道岔中重要部件之一［1］。轍叉服役環(huán)境復雜，因服役過程中發(fā)生塑性變形而導致力學性能嚴重惡化，致使傷損頻發(fā)［2-3］。隨著我國重載鐵路發(fā)展，車輛軸重和運量不斷增加，對轍叉材料性能提出了更高要求，傳統(tǒng)高錳鋼轍叉和珠光體鋼轍叉無法滿足需求［4］。

貝氏體鋼因具有較高的拉伸屈服強度、沖擊強度和硬度以及良好的焊接性能而被應用于鐵路轍叉生產(chǎn)中［5］。但在服役過程中貝氏體鋼化學成分、組織類型繁多，輪軌關系復雜，導致貝氏體鋼出現(xiàn)不同類型及程度的損傷［6-7］。

針對國內(nèi)重載線路轍叉用貝氏體鋼的化學成分及力學性能的研究，鮮見報道。本文選取A、B 兩個廠家生產(chǎn)的且在大秦鐵路服役后的貝氏體鋼轍叉，通過力學性能試驗、化學成分測試、掃描電鏡觀察等方法，對比兩廠冶煉水平、轍叉化學成分及顯微組織形貌，為后續(xù)重載鐵路轍叉用貝氏體鋼化學成分設計提供理論支撐。

1 試驗材料和方法

A、B 廠轍叉基本信息見表1。雖然兩者累計通過總質(zhì)量相差不大，但A 廠轍叉頂面受力條件較B 廠轍叉惡劣，因此從使用效果來看，A廠轍叉優(yōu)于B廠。

表1 轍叉基本信息

采用鋸床及電火花線切割機床，按照TB/ T 3467—2016《合金鋼組合轍叉》要求，在轍叉心軌、翼軌鑲嵌塊不受力部位取樣，進行拉伸、沖擊性能、化學成分測試及顯微組織觀測。取樣位置見圖1。

圖1 取樣位置

采用Spark CCD6000 火花直讀光譜儀，按照GB/ T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進行常規(guī)化學元素分析。

氮、氫和氧含量的測試分別按照GB/ T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導法（常規(guī)方法）》、GB/ T 223.82—2018《鋼鐵 氫含量的測定 惰性氣體熔融-熱導或紅外法》和GB/ T 11261—2006《鋼鐵 氧含量的測定 脈沖加熱惰氣熔融-紅外線吸收法》進行。

采用GNT 300 電子萬能試驗機，按照GB/ T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗并記錄屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率。拉伸試樣直徑10 mm，呈棒狀。

利用JB30A 沖擊試驗機，按照GB/ T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，分別在室溫、-40 ℃溫度下進行沖擊性能檢測。采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對沖擊斷口形貌進行觀察。沖擊試樣尺寸為55 mm（長） × 10 mm（寬） × 10 mm（高）。

用于顯微組織SEM 觀察的試樣制備過程為：先采用預磨機將試樣觀察面的四周倒角并去除表面氧化層，研磨拋光后進行腐蝕（腐蝕劑為4%的硝酸酒精溶液），腐蝕時間為15 s。為定量分析貝氏體鋼中殘余奧氏體含量、形態(tài)及分布，采用配備電子背散射衍射（Electron Back Scatter Diffraction，EBSD）探頭的場發(fā)射電子顯微鏡進行EBSD 試驗，測試面積為37.5 μm ×50.0 μm，步長為0.08 μm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分及力學性能

兩廠家貝氏體鋼轍叉化學組成見表2。可知，兩廠家貝氏體鋼Si、Mn、Cr、Mo元素含量差別不大，但C、Ni、V 元素含量差別明顯。A 廠貝氏體鋼化學成分不滿足奧貝體合金鋼的要求。B廠貝氏體鋼化學成分接近Q/CR 595—2017《合金鋼組合轍叉》中奧貝體合金鋼，僅N元素含量超標。

表2 兩廠家貝氏體鋼轍叉化學組成%

兩廠家轍叉力學性能測試結(jié)果見表3。可知，兩廠家轍叉斷后伸長率及斷面收縮率相差不大，各項指標均滿足TB/ T 3467—2016要求。A廠轍叉抗拉強度、屈服強度分別比B廠轍叉高82.5，76.0 MPa；A廠轍叉室溫、低溫下沖擊功分別比B廠低9.4、9.0 J。

表3 兩廠家轍叉力學性能

2.2 顯微組織

兩廠家心軌及翼軌鑲嵌塊微觀形貌對比見圖2。

圖2 兩廠家心軌及翼軌鑲嵌塊微觀形貌對比

由圖2 可知：兩廠心軌及翼軌鑲嵌塊均由大量貝氏體鐵素體+殘余奧氏體組成；不論心軌還是翼軌鑲嵌塊，B廠原奧氏體晶粒尺寸均約為A廠的2倍。

兩廠家心軌及翼軌鑲嵌塊的相分布見圖3。其中，紅色區(qū)域代表殘余奧氏體，其余為貝氏體鐵素體?？芍?，兩廠家心軌和翼軌鑲嵌塊中殘余奧氏體以片層狀和塊狀存在于晶界、貝氏體鐵素體板條邊界處。經(jīng)計算，A 廠心軌、翼軌鑲嵌塊中殘余奧氏體含量（體積百分比）分別為5.2%、9.1%，B 廠心軌、翼軌鑲嵌塊中殘余奧氏體含量分別為10.3%、11.8%。

圖3 兩廠家心軌及翼軌鑲嵌塊的相分布

2.3 沖擊斷口形貌

兩廠家試樣沖擊斷口形貌見圖4。可知，兩廠試樣室溫沖擊斷口上均可見解理或準解理，B 廠試樣室溫沖擊斷口上存在大面積韌性撕裂帶和韌窩 （白色封閉區(qū)域），從而使B廠試樣呈現(xiàn)出更高的沖擊韌性。同時，B 廠試樣-40 ℃沖擊斷口上仍存在較多細小的韌性撕裂帶和韌窩。A 廠試樣-40 ℃沖擊斷口上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的細小韌窩，導致A 廠低溫沖擊試樣呈現(xiàn)較低的韌性。

圖4 兩廠家試樣沖擊斷口形貌

殘余奧氏體形態(tài)對沖擊韌性影響顯著［8-9］。這是因為：①尺寸較大的殘余奧氏體相當于鑲嵌于貝氏體鐵素體基體中的硬脆相，一定程度上能提高基體的強度，但受到外部載荷沖擊時，殘余奧氏體可以起到阻礙位錯的作用，造成位錯累積。②由于殘余奧氏體與基體組織變形不協(xié)調(diào)，導致額外應力產(chǎn)生。位錯累積和額外應力共同作用，容易產(chǎn)生應力集中。當該應力超過殘余奧氏體強度或界面黏合強度時，就會導致殘余奧氏體自身開裂或與基體分離，產(chǎn)生微裂紋，惡化材料韌性。殘余奧氏體以長條、片層狀存在于晶界時，惡化程度更加明顯。

結(jié)合圖2、圖3 可知，雖然A 廠試樣中原奧氏體晶粒尺寸較小，且殘余奧氏體含量較低，但殘余奧氏體主要呈片層狀存在于晶界處，而B 廠試樣中殘余奧氏體以塊狀居多，因此B廠試樣沖擊韌性更好。

3 貝氏體鋼中各相含量計算

采用熱動力學計算軟件，對兩廠家貝氏體鋼在平衡狀態(tài)下鐵素體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度（T1），鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度（T2）及析出相全固溶溫度進行計算與分析。

3.1 二氧化硅和硫化錳的析出溫度

兩廠家二氧化硅、硫化錳含量隨溫度變化曲線見圖5。由圖5（a）可知，溫度為800 ℃時，A 廠和B 廠試樣的二氧化硅含量分別為0.000 9%、0.001 6%，B 廠二氧化硅含量比A 廠試樣高77.8%。經(jīng)計算，A 廠、B 廠試樣二氧化硅開始析出溫度分別為1 464、1 516 ℃，B 廠試樣二氧化硅開始析出溫度比A 廠試樣高52 ℃。二氧化硅析出溫度越高，越容易在高溫下形成大顆粒，這在一定程度上會惡化材料的疲勞性能及服役壽命［10-11］。

由圖5（b）可知，溫度為500 ℃時，A 廠、B 廠試樣硫化錳含量分別為0.016%、0.022%，B 廠試樣硫化錳含量比A 廠高37.5%。經(jīng)計算，A 廠、B 廠試樣硫化錳開始析出溫度分別為1 394、 1405 ℃，比較接近。綜合二氧化硅、硫化錳的含量和析出溫度，B廠貝氏體鋼冶煉水平明顯差于A廠。

3.2 平衡狀態(tài)下鐵素體、奧氏體及MC相含量

兩廠家試樣鐵素體、奧氏體含量及MC 相中組元含量隨溫度變化曲線見圖6。其中：對于A 廠，MC 相指VC + MoC，對于B 廠，MC 相指MoC；所有相含量均為體積分數(shù)，MC 相含量和MC 相中組元含量為質(zhì)量分數(shù)。

圖6 平衡狀態(tài)下兩廠家試樣鐵素體、奧氏體含量及MC 相中組元含量隨溫度變化曲線

由圖6可知：

1）A 廠試樣T1、T2分別為727、813 ℃，B 廠試樣T1、T2分別為703、805 ℃；A廠、B廠試樣中MC相析出溫度分別為923、595 ℃，兩廠溫度差異較大。這是由于A廠試樣中V 元素含量比B 廠試樣多出0.103%，V 元素在高溫下析出所致。B 廠V 元素含量極少，相當于單獨添加Mo。A 廠復合添加Mo、V，一定程度上降低了Mo 在奧氏體中的固溶度積，導致Mo 也能在較高溫度下析出，進一步提升MC 相的體積分數(shù)。高溫下析出的MC 相一般在奧氏體晶界處析出，可起到阻止奧氏體高溫下長大的作用，從而達到細化奧氏體晶粒，提高貝氏體鋼塑性和韌性的作用［12］。

2）A 廠、B 廠試樣MC 相最大含量分別為0.60%、0.52%，A 廠試樣MC 相最大含量比B 廠試樣高15.3%。MC 相在貝氏體鋼中一般呈納米級大小存在［13］，可起到析出強化效果，有利于提高材料力學性能。

4 結(jié)論

對兩廠家生產(chǎn)的貝氏體鋼轍叉在大秦鐵路服役后的化學成分、力學性能和沖擊性能進行測試，對心軌、翼軌鑲嵌塊微觀形貌觀察分析，并通過熱力學計算軟件對貝氏體鋼中各相含量進行了計算。主要結(jié)論如下：

1）A 廠、B 廠轍叉各項力學性能指標均滿足TB/ T 3467—2016 要求，但B 廠轍叉屈服強度、抗拉強度均比A 廠轍叉低，說明在一定程度上A 廠轍叉比B廠耐磨。A 廠、B 廠下道原因分別為心軌剝落掉塊和心軌磨耗超限。這說明在一定程度上提升轍叉強度，有利于提升轍叉服役壽命。

2）A 廠貝氏體鋼采用0.33C + 0.115V + 0.029Ni設計，與B 廠貝氏體鋼（0.28C + 0.012V + 0.596Ni）相比，V 元素含量明顯增多。添加的V 元素可起到釘扎奧氏體晶界的作用，從而細化晶粒，提高貝氏體鋼塑性和韌性。

3） 經(jīng)熱力學計算，B 廠貝氏體鋼二氧化硅、硫化錳含量比A 廠分別高77.8%、37.5%。B 廠貝氏體鋼冶煉水平明顯差于A廠。

4）A 廠心軌、翼軌鑲嵌塊中殘余奧氏體含量分別為5.2%、9.1%，B 廠心軌、翼軌鑲嵌塊中殘余奧氏體含量分別為10.3%、11.8%。B 廠心軌中殘余奧氏體含量比A 廠心軌高98%，這在一定程度上能降低服役過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的可能性，有利于服役穩(wěn)定性。