一種新型非調(diào)質(zhì)貝氏體魚尾板材料的性能研究

一種新型非調(diào)質(zhì)貝氏體魚尾板材料的性能研究

魚尾板是連接鋼帶的主要連接組件，可以承受各種張力負荷，如牽引、壓、彎曲和其他張力負荷。這是鐵路的薄弱環(huán)節(jié)，在對列車的安全穩(wěn)定運行中起著非常重要的支撐作用。為了滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要,鐵路運輸不可避免的向高速、高軸重方向發(fā)展,然而,這些都會加重對軌道及其部件的損壞。調(diào)查表明,國內(nèi)生產(chǎn)的魚尾板表面脫碳嚴重,易引起微動磨損及疲勞裂紋萌生;它的基體為珠光體加少量網(wǎng)狀鐵素體組織,晶粒粗大,沖擊值低,冷脆轉(zhuǎn)變溫度高,易低溫脆斷。因此,舊的魚尾板材料性能已經(jīng)不能滿足鐵路發(fā)展的需求,迫切需要研究出性能更好、更適用的新材料。隨著貝氏體相變理論及工程應用研究的進展,貝氏體組織優(yōu)良的強韌性配合引起了各國鋼軌及魚尾板研究者的注意,并進行了大量的研究。本工作研究的魚尾板材料為非調(diào)質(zhì)貝氏體魚尾板鋼材,以代號Y表示。1拉伸和沖擊試驗材料化學成分分析采用CS-344紅外分析儀和ICP能譜儀;布氏硬度實驗采用型號為HB-3000布氏硬度計;用型號為CFF2220液壓萬能試驗機按GB228-1987《金屬拉伸試驗方法》進行拉伸實驗,拉伸試樣為直徑d0=10mm、原始標距長度L0=5d0的比例試樣。實驗溫度分別為:16(室溫),0,-15,-20,-30,-40℃和-55℃;沖擊試驗試樣為V型缺口標準試樣,其尺寸為10mm×10mm×55mm,采用型號為GB—30B的沖擊試驗機按GB229-1984《金屬夏比沖擊試驗方法》進行沖擊試驗。實驗溫度為:16(室溫),0,-5,-10,-13,-15,-20,-30,-45℃和-60℃。拉伸和試驗斷口分析采用型號為JSM-5600LV掃描電鏡。2結(jié)果與分析2.1等合金元素對材料Y的成分進行了化學分析,所得結(jié)果見表1。從表1可以看出材料為低碳微合金化鋼,Mn,Cr,Ni,Cu,V,Si等合金元素主要通過固溶強化或與碳、氮原子形成碳、氮化物引起晶粒細化和第二相的析出強化,從而提高鋼的強度和韌性。B7鋼的元素成分組成為C:0.5~0.62,Si:0.15~0.35,Mn:0.5~0.8,P:<0.045,S:<0.055。對比表1可以看出,B7為中碳鋼,P,S等雜質(zhì)較Y要高,并且所添加的合金元素不論種類上還是質(zhì)量分數(shù)上都比Y要少。2.2鐵素體的島嶼圖1為材料Y的金相組織形貌圖。從圖1中可以看出材料Y的組織是粒狀貝氏體,即在鐵素體的基體中分布著不連續(xù)的島狀物。小島是由富碳奧氏體分解形成的,小島內(nèi)有馬氏體及殘余奧氏體,稱為M-A島(Martensite-AusteniteIsland)。同一晶粒中不連續(xù)長條狀小島趨于平行地分布在鐵素體基體中。2.3材料的硬度和布硬度作為鐵路接頭連接件的魚尾板,鐵道行業(yè)標準TB/T2345-93《43~75kg/m鋼軌用魚尾板供貨技術要求》中規(guī)定B7鋼材魚尾板材料的硬度區(qū)間為230~390HB。選取3個樣品,每個樣品隨機測出3個硬度值并求平均值,得出材料Y的布氏硬度為285.1HB,可見其硬度值處于要求區(qū)間的中上水平。材料Y中存在的合金元素如Mn,Si,Cr,V等比B7鋼高,因此雖然為低碳鋼,但是由于合金元素固溶強化鐵素體以及形成碳化物,使其硬度仍然能達到要求。2.4延長性能2.4.1y材料的拉伸性能按照TB/T2345-93《43~75kg/m鋼軌用魚尾板供貨技術要求》中規(guī)定,國內(nèi)常用魚尾板用鋼及材料Y的常溫拉伸性能表2。從表2中可以看出,常溫下材料Y的各項拉伸性能較B7,56Nb都有了很大的提高,特別是斷面收縮率ψ超出1倍多,可見常溫下Y材料的強度和韌性比以前的魚尾板都好,這可以從兩方面來解釋。首先是合金元素的作用:材料Y中的合金元素高于B7鋼,合金元素一部分溶于鐵素體,一部分形成碳化物從而引起晶粒細化和第二相的析出強化,從而提高金屬的強度和韌性;另一個方面就是組織因素:材料Y的組織為粒狀貝氏體,M-A小島彌散分布在鐵素體基體上,具有很好的強韌性配合,而B7鋼組織為珠光體加少量網(wǎng)狀鐵素體,晶粒粗大,強韌性較差。2.4.2拉伸性能和屈服性能在常溫拉伸的基礎上再對材料Y的低溫拉伸性能進行研究,實驗溫度分別為0,-15,-20,-30,-40℃和-55℃,其拉伸性能-溫度變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出,隨著溫度的降低,材料Y的抗拉強度σb呈上升趨勢;屈服強度σ0.2相對平緩,變化不大;并且屈服強度與抗拉強度的差距隨著溫度的降低逐漸增加,這是體心立方金屬的特點;伸長率δ、斷面收縮率ψ隨溫度的降低均大體呈下降的趨勢,0℃時伸長率δ下降得最為明顯。隨著溫度的下降位錯發(fā)動更困難,可動位錯密度小,宏觀表現(xiàn)就是,材料的抗拉強度和屈服強度有所增加,伸長率和斷面收縮率減小,并且抗拉強度比屈服強度增加得更快一些;但是,由于溫度的作用相對有限,所以其抗拉強度和屈服強度在低溫階段雖然升高,但是升高不會太多。2.5沖擊功與溫度的關系為了評定材料Y的韌脆性能,對材料Y進行常溫及低溫沖擊試驗,所得結(jié)果與國內(nèi)常用的B7鋼及日本魚尾板板進行比較。圖3為Y,B7鋼及日本板沖擊功大小隨溫度的變化曲線。由圖中可以看出,溫度為-60℃時材料Y的沖擊功(Akv)大約為6J,與B7鋼及日本魚尾板相當,但在-60℃以上,沖擊功明顯比后兩者好。取0.4Akv(室溫)所對應的溫度作為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,則材料Y轉(zhuǎn)變溫度為-20℃。由前面的實驗結(jié)果可知,材料Y的P,S含量少,材質(zhì)較為純凈,另外晶粒組織細小,這些都是使其韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低的因素。2.6sem斷裂帶分析2.6.1纖維區(qū)形貌分析根據(jù)材料Y的拉伸性能-溫度曲線(圖2)選取溫度分別為16(室溫),0,-20,-55℃的拉伸試樣斷口進行掃描分析。圖4是不同溫度下纖維區(qū)形貌。隨著溫度的降低,形貌變化并不明顯,斷口上分布著大量較為細小的韌窩和撕裂棱并伴有孔洞,韌窩中有第二相粒子的存在。通過觀察拉伸斷口的SEM形貌可以知道,材料Y在溫度為16~-55℃拉伸時發(fā)生的斷裂特征變化不大,均為韌性斷裂。2.6.2剪切韌窩和斷口形貌根據(jù)材料Y的沖擊功-溫度曲線,選取實驗溫度分別為16(室溫),0,-20,-60℃時的沖擊試樣進行掃描觀察。圖5是不同溫度下靠近V型槽區(qū)域形貌?？梢钥闯?圖5a中有大面積的細小韌窩存在,隨著溫度的降低,細小韌窩逐漸減少,圖5c和圖5d幾乎已經(jīng)沒有韌窩的存在。圖6是不同溫度下的最后斷裂區(qū)域形貌。圖6a時斷口呈現(xiàn)出許多拋物線形狀的剪切韌窩;圖6c時剪切韌窩明顯減少,表明脆性逐步增大;在圖6d時,斷口形貌很平整,幾乎沒有韌窩的存在,只剩下解理斷裂特征。通過觀察沖擊斷口的SEM形貌可以知道,材料Y隨著沖擊溫度的降低,韌性斷裂的特征逐漸減少,宏觀表現(xiàn)即為沖擊功逐漸減少。3材料的沖擊性能(1)魚尾板材料Y為低碳微合金化貝氏體鋼,室溫組織為粒狀貝氏體。(2)室溫下材料Y的抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率均遠遠