氢对贝氏体钢辙叉性能影响的研究.doc

 PAGE \* MERGEFORMAT 6 氢对贝氏体钢辙叉性能影响的研究 1 摘要 利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对服役过的贝氏体钢辙叉磨损表面进行微观结构研究，并对含氢量不同的的贝氏体钢的拉伸性能进行测定。结果表明，随着氢含量的增加，贝氏体钢的可塑性和延展性急剧减小。可用于商业运行的贝氏体钢辙叉，其发生氢脆的临界氢含量是7 ×10-5wt％。当服役中的贝氏体钢辙叉中的氢含量低于临界值时，在服役早期阶段出现磨损，而服役后期出现疲劳剥落。当氢含量高于临界值时，服役过程中的贝氏体钢辙叉失效主要是由氢致脆性剥落引起的。 近几年来，无碳化物贝氏体钢以其高强度，温和的硬度和良好的韧性等优异性能，吸引了人们的关注，被视为最具前景的现役高锰钢铁路辙叉替代品之一。在20世纪80年代，英国[1]首先开发出代号为“Titan”的辙叉用贝氏体钢，并成功地将其铺设于高速铁路干线上。 1996年，美国开发出代号J9的Mo-B系贝氏体钢辙叉 [2]。近年来，关于无碳化物贝氏体钢有了一些研究[3-5]。到现在为止，许多投入运行的铁路辙叉也有很多改进。事实上，现在应用的贝氏体钢辙叉都是如表1所示的低碳合金的贝氏体钢。同时，它们一般都是进行850-950℃正火热处理，然后300-400℃回火。这种类型贝氏体钢辙叉同普通铁路辙叉一样，由鼻轨和翼轨两部分组成，如图1所示。 众所周知，高强度钢易发生氢脆和且随着氢含量的增加其氢脆可能性增大。然而，最近关于钢铁的氢脆研究大多是针对高碳钢[6-8]，而对低碳钢的氢脆研究很少 [9]。Ahlden和Mehtola在有关钢轨和车轮接触表面的氢脆的研究报道中，指出氢会导致钢轨表面脆性剥落[10]。然而，很少有关于贝氏体钢辙叉氢致脆性的研究。 虽然贝氏体钢辙叉有近30年的应用历史，但是关于铁路辙叉失效分析方面的文章却寥寥无几。实际上，贝氏体钢辙叉没有在铁路系统广泛应用的主要原因是其容易发生脆裂。因此，有关铁路辙叉失效机理的研究，对提高辙叉使用寿命和铁路运行安全有着重要的意义。 本文对两种服役过的贝氏体钢辙叉的失效进行分析研究，并探讨其失效机理，同时对贝氏体钢辙叉的氢脆特性进行研究。 2 实验??容 本实验样品为两种服役过的无碳化物贝氏体钢辙叉鼻轨部件，如图1所示，其化学成分见表2。从表2可以看出，这两种试样的化学组成是很相近的。两试样热处理都是：先加热900℃，维持恒温4小时后空冷，再进行350℃保温5小时回火处理，最后空冷至室温。两种试样辙叉寿命分别是2.5×108和0.5×108吨。 利用普通拉伸试验机和冲击试验机分别测试两种贝氏体钢辙叉试样的常规机械性能。利用Mat数字金相分析仪（AXIOVERT200）和扫描型电镜（SEM，KYKY2800）研究辙叉的显微组织结构。 为测定两种辙叉用贝氏体钢发生氢脆鋨极限氢含量，采用电解法对试样进行充氢，电解液成分为0.5mol/H2SO4+200mg/L Na3AsO3的混合溶液，充氢电流密度为10mA/cm2,根据充氢时间不同可以得到不同氢含量试样。试样处理加工成φ5×50mm的光滑圆柱，用惰性气氛熔融法提取样品中的氢，用气相色谱法测定样品中的氢含量，试验设备为CQY-2型氢含量分析仪。在这项研究中，样品中的氢含量分别为5× 10-5，7× 10-5，10× 10-5，18× 10-5和23× 10-5（wt％）。 为了防止充氢试样中氢的扩散和逸出，采用电镀装置加以保护，并进行 200℃烘烤10 h均匀化处理，使氢均匀分布。电镀液的是: 98%浓硫酸(50g), 干燥CdSO4粉末（50g）,无水Na 2 SO4（45g）, 明胶（6g）,苯酚（3g）加蒸馏水至1000ml。用于电镀的电流密度为25 mA/cm2，样品作为阳极，镉被用来作为阴极，电镀5分钟即可起到防止氢扩散逸出的效果。本实验通过慢应变速率的方法测定试样用贝氏体钢的氢脆的灵敏度。由于钢氢脆的灵敏度随施加的应变率的下降而升高，所以为了揭示钢氢脆的灵敏度，拉伸试验种设定应变率分别为5.6×10－5s－1，2.8× 10－4s－1和1.7×10－3s－1。 3 结果及分析 3.1贝氏体钢辙叉宏观形态 图2展示了贝氏体钢辙叉试样A的磨损表面：从图上可以看出，辙叉在早期和晚期阶段的失效是由磨损和疲劳剥落造成的，这是和高锰钢辙叉失效形式一样[11]。 3.2贝氏体钢辙叉常规力学性能 两种贝氏体钢辙叉试样的传统的常规力学性能如表3所示，可以看出两试样的屈服强度、拉伸强度和冲击韧度之间的差别是微小的，但两试样的断面伸长率和断面收缩率数值有明显差异，且试样A的可塑性比试样B的好，这表明，虽然这些试样的化学成分和热处理工艺相同，但的不同的辙叉的可塑性仍可能存在很大差异。由此我们可以得出，试样B的断裂原因应该是它的低