王冬，金紀(jì)勇，劉祥，陳昕，張瑜

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

貝氏體鋼軌具有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性和抗接觸疲勞性能，近年來(lái)受到鋼鐵材料研究者和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的格外重視，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的鋼軌”［1-3］，其組織中含有的少量殘余奧氏體在變形過(guò)程中與基體相互配合不會(huì)降低抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，還提升了韌塑性，綜合性能得到較大幅度提升［4-5］。殘余奧氏體對(duì)貝氏體鋼軌性能的影響更多地依賴(lài)于其在變形過(guò)程中的穩(wěn)定性，也直接決定著TRIP效應(yīng)的作用，如果殘余奧氏體不穩(wěn)定，在變形開(kāi)始階段就大量發(fā)生馬氏體相變，這種相變徐祖耀［6］稱(chēng)為應(yīng)力協(xié)助馬氏體形核，生成馬氏體硬相割裂貝氏體基體導(dǎo)致鋼軌韌塑性惡化并在內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；如果殘余奧氏體過(guò)于穩(wěn)定，在鋼發(fā)生斷裂后也不發(fā)生馬氏體相變，這樣的殘余奧氏體對(duì)性能也沒(méi)有任何提高［7］。因此有效控制殘余奧氏體穩(wěn)定性和含量是獲得綜合性能穩(wěn)定的貝氏體鋼軌關(guān)鍵。本文以熱軋貝氏體鋼軌為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了矯直前后回火的貝氏體鋼軌微觀組織、殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性以及拉伸性能特點(diǎn)，希望為獲得綜合性能穩(wěn)定的熱軋貝氏體提供工藝借鑒。

1 試制試驗(yàn)與方法

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)試制試驗(yàn)軋制成60 kg/m貝氏體鋼軌，貝氏體鋼軌試制生產(chǎn)工藝見(jiàn)圖1。鋼軌軋制成形后分別進(jìn)行矯直前回火和矯直后回火工藝處理，試驗(yàn)分別選取兩根鋼軌，矯直前回火試樣編號(hào)為A，矯直后回火試樣編號(hào)為B。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical Compositions in Test Steel %

按照TB 2344-2012中金相和拉伸性能檢驗(yàn)試樣取樣要求，對(duì)試驗(yàn)鋼軌進(jìn)行取樣，具體取樣位置見(jiàn)圖2。

圖2 金相與拉伸試樣取樣部位Fig.2 Sampling Locations for Metallographic and Tensile Samples

試樣經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后用4%的硝酸酒精浸蝕，利用ZEISS AX10光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察；將試樣厚度機(jī)械研磨至35～50 μm后在-20℃雙噴減薄，雙噴液為5%高氯酸+95%無(wú)水乙醇，液氮冷卻，電壓25～50 V，利用場(chǎng)發(fā)射JEM-2010F透射電境觀察試樣微觀組織形貌和殘余奧氏體形態(tài)；利用磁性法定量分析試樣組織中殘余奧氏體含量，通過(guò)拉伸試機(jī)檢驗(yàn)試樣拉伸性能，通過(guò)對(duì)比組織性能分析研究矯直前后回火對(duì)貝氏體鋼軌組織性能影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 矯直前后回火對(duì)顯微組織影響

矯直前回火和矯直后回火兩組試驗(yàn)方式得到的試樣金相組織見(jiàn)圖3。

圖3 矯直前后回火試樣金相組織Fig.3 Microstructures of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

從圖3可以看出，矯直前后回火試樣金相組織均由板條貝氏體+M/A島組成。由透射電鏡進(jìn)一步觀察，矯直前后回火試樣組織形貌見(jiàn)圖4。可以看出矯直前回火試樣組織由無(wú)碳化物板條貝氏體、少量M/A島及微量馬氏體組成，未見(jiàn)殘余奧氏體，見(jiàn)圖4（a）；矯直后回火試樣組織由無(wú)碳化物板條貝氏體、板條間分布著殘余奧氏體薄膜、少量 M/A島和微量回火馬氏體組成，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 矯直前后回火試樣透射組織形貌Fig.4 TEM Microstructure Appearances of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

2.2 變形對(duì)殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

2.2.1 矯直前后回火對(duì)殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

在回火工藝相同情況下，利用磁性法分別對(duì)矯直試樣、矯直后回火試樣，回火試樣、回火后矯直試樣及不矯直不回火試樣進(jìn)行殘余奧氏體定量檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同工藝條件殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性Table 2 Stability and Content of Residual Austenite with Different Processes %

由表2可以看出，與不矯直不回火試樣相比，矯直后殘余奧氏體含量下降7.3%，矯直后回火殘余奧氏體含量又下降了2.9%，而直接回火試樣殘余奧氏體含量下降13.9%，回火后矯直殘余奧氏體含量又下降了1.1%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，貝氏體鋼軌矯直前回火和矯直后回火對(duì)組織中殘余奧氏體影響很大，熱軋貝氏體鋼軌直接矯直會(huì)使一部分殘余奧氏體發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)組織轉(zhuǎn)變（TRIP效應(yīng)）。由于矯直過(guò)程中矯直力很大，導(dǎo)致局部劇烈變形誘發(fā)部分殘余奧氏體和M/A島發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體則展現(xiàn)出較好的機(jī)械穩(wěn)定性，在后續(xù)回火中TRIP效應(yīng)產(chǎn)生的馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體和M/A島在加熱和保溫過(guò)程中發(fā)生少部分分解或轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，最終形成圖4（b）中的微觀組織；而矯直前直接回火的試樣由于加熱和保溫原因使熱穩(wěn)定性差的殘余奧氏體和M/A島發(fā)生分解，碳化物逐漸析出，部分位錯(cuò)密度降低，剩余殘余奧氏體和M/A島在后續(xù)矯直中發(fā)生微弱的TRIP效應(yīng)，生成微量馬氏體，這與圖4（a）中的組織構(gòu)成相符合；上述分析可以發(fā)現(xiàn)，從組織組成來(lái)看，熱軋貝氏體鋼軌的后續(xù)工序順序應(yīng)該采用矯直后回火工藝。

2.2.2 拉伸變形對(duì)殘余奧氏體含量與穩(wěn)定性影響

利用磁性法分別對(duì)試樣A和試樣B（二者回火工藝相同）進(jìn)行5%拉伸塑性預(yù)變形殘余奧氏體定量檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 拉伸變形殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性Table 3 Stability and Content of Residual Austeniteby Tensile Deformation Test %

由表3可見(jiàn)，試樣A經(jīng)過(guò)變形后，殘余奧氏體含量由12.4%降低到10.9%，機(jī)械穩(wěn)定性為87.6%；試樣B經(jīng)過(guò)變形后，殘余奧氏體含量由8.7%降低到6.7%，機(jī)械穩(wěn)定性為77.0%，該指標(biāo)明顯優(yōu)于試樣A。這是由于試樣A經(jīng)過(guò)回火矯直，殘余奧氏體含量較少且不穩(wěn)定，在變形初期就產(chǎn)生大量馬氏體轉(zhuǎn)變割裂基體，不利于鋼軌強(qiáng)度與塑性；試樣B是經(jīng)過(guò)矯直變形后回火處理，殘余奧氏體熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性較高，在拉伸過(guò)程中能夠有效促進(jìn)TRIP效應(yīng)發(fā)生，不會(huì)在變形初期就出現(xiàn)大量馬氏體相變，而是伴隨著變形抗力增加均勻完成馬氏體相變過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化貝氏體鋼軌的強(qiáng)塑性。

2.3 矯直前后回火對(duì)力學(xué)性能影響

對(duì)試樣A和試樣B進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)鋼軌進(jìn)行全長(zhǎng)拉伸性能穩(wěn)定性檢驗(yàn)，位置選取鋼軌的15 m、30 m、45 m、60 m和75 m處，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 矯直前后回火拉伸性能對(duì)比Table 4 Comparison of Tensile Properties by Tempering before and after Straightening

由表4可以看出，試驗(yàn)鋼軌全長(zhǎng)拉伸性能穩(wěn)定性良好，試樣B強(qiáng)塑性明顯高于試樣A，其中抗拉強(qiáng)度平均值提高139 MPa，屈服強(qiáng)度平均值提高138 MPa，斷面收縮率提高8%，斷后伸長(zhǎng)率相當(dāng)。結(jié)合上述試驗(yàn)鋼的微觀組織、殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性，并根據(jù)拉伸性能結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，試樣B的組織性能優(yōu)于試樣A。分析認(rèn)為：一是試樣B經(jīng)過(guò)矯直后回火，殘余奧氏體機(jī)械性穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性強(qiáng)，在拉伸過(guò)程中能夠有效控制TRIP效應(yīng)發(fā)生，提高強(qiáng)塑性，同時(shí)殘余奧氏體易產(chǎn)生塑變，在承受外加載荷的過(guò)程中可以吸收能量，對(duì)裂紋的擴(kuò)展可起到緩沖作用進(jìn)而提高塑性。二是由于矯直后回火和矯直前回火得到的組織形態(tài)和組織構(gòu)成不同，試樣B中回火馬氏體能夠與貝氏體形成很好的組織配合，在拉伸過(guò)程不割裂基體；試樣A中存在微量馬氏體并未發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體，在拉伸過(guò)程中，有馬氏體割裂基體的現(xiàn)象，同時(shí)因缺少提供塑性的殘余奧氏體，導(dǎo)致試樣拉伸性能較差，強(qiáng)塑性不高。因此，矯直后回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能優(yōu)于矯直前回火工藝。

3 結(jié)論

（1）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火獲得的組織構(gòu)成為無(wú)碳化物貝氏體+少量殘余奧氏體和M/A島+微量回火馬氏體，獲得的拉伸性能明顯優(yōu)于矯直前回火，且拉伸性能穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度平均提高139 MPa，屈服強(qiáng)度平均提高138 MPa。

（2）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火，殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)比未矯直回火降低了10.2%，比矯直前回火降低了4.8%，獲得的殘余奧氏體機(jī)械穩(wěn)定性明顯提高，能夠有效控制變形中的TRIP效應(yīng)發(fā)生，提高貝氏體鋼軌強(qiáng)韌性。

（3）熱軋貝氏體鋼軌矯直后回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能優(yōu)于矯直前回火工藝獲得的貝氏體鋼軌組織性能。

浦項(xiàng)鋼鐵公司不斷拓展建筑用鋼市場(chǎng)

（1）與客戶(hù)簽署高端鋼建材“INNOVILT”品牌使用協(xié)議

近期，浦項(xiàng)鋼鐵公司將韓國(guó)17家公司的23個(gè)產(chǎn)品正式納入高端鋼材品牌“INNOVILT”認(rèn)證產(chǎn)品，并與客戶(hù)簽訂品牌使用協(xié)議。浦項(xiàng)鋼鐵公司于2019年11月推出了鋼建材綜合品牌“INNOVILT”，便于消費(fèi)者識(shí)別和選擇。近日，浦項(xiàng)鋼鐵與建材加工企業(yè)NI Steel公司在首爾事務(wù)所舉行了首個(gè)“INNOVILT”品牌使用簽約儀式，雙方將在創(chuàng)新方面加強(qiáng)合作。此外，為了將“INNOVILT”產(chǎn)品用于公共機(jī)構(gòu)和大企業(yè)的建筑、土木工程設(shè)計(jì)，同時(shí)充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling）技術(shù)，浦項(xiàng)鋼鐵還特別制作了3D數(shù)碼信息文件，并在“INNOVILT”官方網(wǎng)站上提供了詳細(xì)的產(chǎn)品說(shuō)明，可以下載包含“INNOVILT”產(chǎn)品性能和數(shù)據(jù)的3D數(shù)碼信息文件，并將其用于設(shè)計(jì)。

（2）TMCP厚板用于建設(shè)超高層大樓Parc1

近期，浦項(xiàng)鋼鐵公司生產(chǎn)的TMCP（控軋控冷）厚板正式應(yīng)用于韓國(guó)國(guó)內(nèi)第三高的摩天大樓建筑Parc1（333 m）。 Parc1是由浦項(xiàng)建設(shè)公司承建的項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)采購(gòu)了約6.3萬(wàn)t鋼材，其中包括浦項(xiàng)鋼鐵公司生產(chǎn)的TMCP厚板。

（3）高分辨率噴印鋼板“PosART”加快進(jìn)軍建筑市場(chǎng)

近期，浦項(xiàng)鋼鐵的高分辨率噴印鋼板“PosART”以其優(yōu)異的性能，成為備受青睞的建筑內(nèi)外裝飾板材?！癙osART”是由浦項(xiàng)鋼鐵公司光陽(yáng)表面處理研究所開(kāi)發(fā)，自2018年起在浦項(xiàng)鋼板公司生產(chǎn)的創(chuàng)新產(chǎn)品，其分辨率是普通印花鋼板的四倍以上。在2019年世界鋼鐵協(xié)會(huì)主辦的 “Steel ie”獎(jiǎng)評(píng)選活動(dòng)上，PosART榮獲“年度創(chuàng)新獎(jiǎng)”。PosART以創(chuàng)新技術(shù)為基礎(chǔ)，除建筑內(nèi)外裝飾材料外，今后還有望應(yīng)用于攝影、紀(jì)念牌、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

——摘自“鐵諾咨詢(xún)網(wǎng)”