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贝氏体钢辙叉心轨的发展现状概述 1、前言 辙叉是铁路轨道结构的重要组成部件，是机车车辆的车轮从—股铁轨转到另一股铁轨所需要的特殊设备。辙叉在机车通过时将受到巨大的车轮冲击载荷，此时除了受到的静载荷大大增加外，还将承受铁轨上最大的动载荷，而在铁轨和道岔上，动载荷是静载荷的2~5倍[1]。辙叉的工作条件极为苛刻，因此，其对材料的要求自然是非常的严格。目前，我国铁路上使用的辙叉主要有两种[2，3]。—种是高碳钢组合辙叉，用普通高碳钢轨加工，通过螺栓紧固而成。这种辙叉既不耐磨，且螺栓易松动，常常会在螺纹孔处形成裂纹等缺陷，从而导致寿命大幅度缩短；另一种是高锰钢整铸辙叉，它广泛铺设在我国铁路主要干线上，是我国铁路辙叉的主要组成。随着我国国民经济的发展，铁路运量迅猛增加。根据国家“十二。五”铁路建设规划，铁路建设将向着提速、高速、重载的目标发展，传统高锰钢整铸辙叉已不能满足我国铁路发展的需要。因此，开发研究使用性能稳定的高强度、高韧性、高硬度和焊接性能优良的长寿命辙叉心轨耐磨材料是当务之急。 2、国内外辙叉发展现状与趋势 2.1 传统高锰钢整铸辙叉发展概述 传统的高锰钢整铸辙叉具有整体性好、易于成形、韧性好、加工硬化、上道方便和维护简单等优点，因此被广泛用于我国铁轨的主要干线。但因其起初硬度低（170~230HB），铸造后有不可避免的缩孔疏松，以及与高碳钢钢轨焊接难度大等不足，导致了高锰钢整铸辙叉强度低，质量不易控制，使用寿命低且离散度大，维修养护工作成本大[4]。通常情况下，高锰钢的碳含量在0.9~1.3%，锰在11~13%，同时还辅以Cr、Ni、Mo、V、Ti等元素[5]。高锰钢辙叉的铸态组织基本上由奥氏体和残余碳化物（Fe、Mn）3C组成。由于碳化物沿晶析出降低钢的强度和韧性，影响钢的耐磨性。因此，铸造件必须进行水韧热处理使高锰钢获得全部奥氏体组织。高锰钢水韧处理后不能再加热至350℃以上，否则将有针状碳化物析出，使钢的性能变脆。但是，再对高锰钢辙叉进行焊接修补加热时，热影响区奥氏体中的过饱和碳和合金元素具有不稳定性，易在奥氏体晶界析出导致脆化。为了避免上述情况的发生，在对高锰钢辙叉进行焊接修补时，焊接工艺极为复杂，焊接效率很低，因而高锰钢辙叉焊接性很差[2]。 高锰钢和钢轨之间焊接困难。高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的可焊性及焊接工艺差异极大。高锰钢焊接时是小段焊接，并不时地用水冷却焊缝，使焊缝组织为奥氏体，避免热影响区奥氏体析出针状碳化物。而高碳钢焊接时需要预热、大段连续焊接和增大焊接热输入量，以避免焊缝产生马氏体组织。这是两种截然相反的焊接工艺规范[6]。所以，高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的对接难度很大，不易实现道路的无缝化[7]。 2.2 贝氏体钢的研究 1930年美国人Bain发现奥氏体在中温转变时有贝氏体组织生成。自此，人们在贝氏体相变理论和实际工程应用方面的研究取得了很大进展。特别是近年来发现的贝氏体及贝氏体／马氏体组织，具有高强度、高硬度以及优良的耐磨性[8~10]，引起学术界和工程界的高度重视。 铁路材料研究工作者正是利用贝氏体组织的优异性能找到了—种替代传统铁路材料的新钢种。新型空冷贝氏体钢属于非调制钢中的一类。在生产中可以将热加工成型工序与热淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了能源、简化了工艺和提高了生产效率，而且可以避免由于淬火引起的变形开裂及氧化脱碳等热处理缺陷。因而，以贝氏体钢作为新—代铁路材料将成为一种发展趋势。 2.2.1 贝氏体转变 高温奥氏体转变有以下几个方面：从转变速度这个方面来看，从快到慢为马氏体、贝氏体、珠光体；从原子扩散这个角度来说，珠光体是Fe和C都扩散，马氏体是Fe和C都不扩散，贝氏体是Fe不扩散而C扩散；从转变机理来说珠光体是原子扩散型转变，马氏体是切变，贝氏体的转变机理还不成熟，目前主要有切变机理和台阶机理[11]。贝氏体转变是介于珠光体转变与马氏体转变温度区域之间的一种转变，又称中温转变。由于这一转变在中间温度范围内发生．故被称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于铁原子也能扩散的珠光体转变，也不同于碳原子基本上也不能扩散的马氏体转变，这一转变为贝氏体转变，所得产物称为贝氏体。若就其转变的动力学及所获得的组织而言，则兼有扩散型的珠光体转变和无扩散型的马氏体转变中某些动力学和组织特征，故贝氏体转变又称为中间转变。 2.2.2 贝氏体组织 对于贝氏体组织的分类，到目前为止仍没有明确而统一的分法。根据组织形貌而确定的较详细的分类有：上贝氏体、下贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、柱状贝氏体、反常（逆）贝氏体及准贝氏体；其中常见的有上贝、下贝及粒贝[12]。基于贝氏体组织的多形性，最近有的文献将贝氏体组织划分为以下三种基本的种类：