贝氏体钢轨回火工艺优化及疲劳断裂行为的研究.pdf

摘要

贝氏体钢轨因具有优异的冲击韧性、抗拉性能及良好的耐磨性而逐渐受到钢铁企

业的关注，被誉为“二十一世纪的钢轨”。然而贝氏体钢轨在生产过程中会存在较高

的残余应力及复杂的贝马复相组织等问题，高的残余应力及复杂组织的存在会使钢轨

的力学性能降低以及在服役过程中存在很大的安全隐患。本文以某厂生产的贝氏体钢

轨为研究对象，通过有限元软件模拟计算贝氏体钢轨的热处理工艺，验证数值模拟实

际热处理过程的可靠性；通过对分段淬火后的贝氏体钢轨进一步优化回火热处理工艺，

探究1#~6#不同回火工艺(1#实验钢~6#实验钢)的组织、冲击性能、硬度、残余应力及

疲劳性能的影响规律，通过彩色金相法、SEM、TEM及EBSD等手段定量分析回火

组织的形貌、贝马各相转变量，结合1#~6#不同回火工艺(回火温度区间为320~420℃，

回火时间为12h)对贝氏体钢轨的组织、残余应力的影响，优化回火热处理工艺，对

比分析最优2#回火工艺(2#实验钢)与6#回火工艺(6#实验钢)的疲劳性能，为回火贝氏

体钢轨的工艺优化、确保钢轨服役过程安全提供一定的理论依据。实验结果表明：

通过DEFORM有限元软件对某厂生产的贝氏体钢轨轨头进行分段淬火热处理模

拟计算，计算结果表明模拟后的组织转变量及硬度的计算值与实际测量值基本一致，

从而验证了模拟计算热处理过程的可靠性。分段淬火后的2#实验钢(340℃/12h)冲击

功平均值均超过70J，与6#实验钢(420℃/18h)的性能进行比较后可知，2#实验钢的

冲击功、硬度均高于6#实验钢。通过残余应力仪测量发现经2#回火工艺回火后实验

钢的残余应力下降约80MPa。通过SEM观察组织形貌可知，回火后组织主要为板条

状贝氏体、粒状贝氏体、回火马氏体及少量的残余奥氏体组织；结合彩色金相法，2#

实验钢的组织含量约70.31%的贝氏体组织、21.79%的回火马氏体组织，以及7.9%

的残余奥氏体组织。

通过2#实验钢与6#实验钢的疲劳性能对比分析可知，2#实验钢疲劳循环次数超

过83万次，略大于6#实验钢，疲劳断口形貌中含有较多的二次裂纹及韧窝。通过

TEM的组织观察2#实验钢板条状贝氏体尺寸约174nm，薄膜状残余奥氏体尺寸约

41.2nm。对位错形貌观察可知，2#实验钢位错线较为均匀。根据晶界检测结果显示，

2#实验钢组织内部多为大角度晶界，EBSD检测几何必须位错密度为3.1×1014m-2，一

定的几何必须位错密度能够起到位错强化作用。回火后再结晶结构及晶格畸变比例较

低；薄膜状残余奥氏体及尺寸较小的板条状贝氏体的存在使贝氏体钢轨韧性较高，保

证了贝氏体钢轨的抗疲劳性能。实验结果表明，通过优化后的2#回火工艺，其强度和

抗疲劳性能都有一定幅度的提高。

关键词：贝氏体钢轨；残余应力；贝马复相组织；数值模拟；回火工艺

Abstract

Bainiticsteelrailsduetoexcellentimpacttoughness,tensilepropertiesandgoodwear

resistanceandgraduallybytheattentionofsteelenterprises,knownasthetwenty-first

centuryrail.However,thebainiticsteelrailintheproductionprocesstherewillbehigh

residualstressandcomplexbermudancomplexphaseorganizationandotherissues,high

residualstressandtheexistenceofcomplexorganizationswillmakethemechanical

propertiesoftherailreducedaswellasinserviceintheprocessofthereisagreatsecurity

risks.Inthisthesis,afactoryproductionofbainiti