郭曜琿 ， 岑耀東 ,*， 霍艷玲 ， 馬 瀟 ， 陳 林 ， 趙浩男 ， 王 媛

（1. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010；2. 包頭北方創(chuàng)業(yè)有限責任公司，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

近年來，隨著我國鐵路運輸量的增加和列車行駛速度的提高，鋼軌的服役環(huán)境越來越復雜。重軌鋼受車輪交變載荷的沖擊，軌頭表面會萌生微小裂紋并向縱深擴展，進而發(fā)生斷裂。因此，斷裂韌性是判斷鋼軌使用性能的重要指標之一[1-9]。

U75V重軌鋼是典型的珠光體鋼軌，具有優(yōu)良的強度和耐磨性，應用較廣泛。目前，研究人員大多通過成分設計和熱處理工藝來進一步優(yōu)化U75V重軌鋼的力學性能。如Cen等[10]研究了在線連續(xù)冷卻對U75V鋼軌組織和性能的影響，認為在線連續(xù)冷卻熱處理工藝可以顯著提升U75V鋼軌的抗拉強度。Cen等[11]還研究了低溫回火對U75V鋼軌組織與性能的影響，結果顯示，在200℃下保溫6 h后，U75V鋼軌部分片層珠光體組織轉變?yōu)榱钪楣怏w，屈服強度和沖擊韌性明顯提高。岑耀東等[12]研究了在線余熱淬火對U75V鋼軌組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)在線余熱淬火可以有效提高U75V鋼軌的強韌性，熱處理后的鋼軌抗拉強度和伸長率分別提高16.6%、20%。陳林等[13]研究了稀土元素Ce對熱軋U75V鋼軌斷裂韌性的影響，發(fā)現(xiàn)熱軋U75V鋼軌加入0.0023%（質量分數(shù)）的稀土后，-20 ℃時的斷裂韌性KIC平均值提高8.8%；加入0.0056%（質量分數(shù)）的稀土后，-20 ℃時的斷裂韌性KIC平均值提高14.3%。但是，目前對熱處理U75V鋼軌性能優(yōu)于軋態(tài)的機理尚不明確，對鋼軌斷裂韌性的研究也較少。

前期已對珠光體重鋼軌的熱處理工藝、疲勞性能進行了系列研究[9-14]，發(fā)現(xiàn)適當加大淬火冷速可有效細化珠光體片層間距，大大提高鋼軌的抗拉強度和疲勞性能。在以上研究結果的基礎上，本文研究U75V重軌鋼在線軋態(tài)和在線熱處理態(tài)2種條件下的微觀組織、斷口形貌、應變特點及三點彎曲斷裂韌性，揭示微觀組織對斷裂韌性的影響規(guī)律，為研究珠光體重軌鋼熱處理工藝提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為U75V重軌鋼，其化學成分見表1。一種材料為軋后900 ℃空冷到室溫，控制冷速為0.5 ℃/s進行冷卻（簡稱軋態(tài)）；另一種是軋后900 ℃冷卻到750 ℃，控制冷速為3 ℃/s進行冷卻，然后風冷直至室溫（簡稱熱處理態(tài)）。采用萬能試驗機對三點彎曲試樣進行斷裂韌性試驗。利用激光共聚焦對試樣斷口進行觀察。采用金相顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡對試樣進行觀察。采用三維全場應變測量分析系統(tǒng)（應變儀）對裂紋擴展過程進行測試。三點彎曲試樣尺寸及取樣方式如圖1所示。

表1 U75V重軌鋼化學成分（質量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition of U75V heavy rail steel (mass fraction /%)

圖1 三點彎曲試樣尺寸及取樣位置Fig.1 Three-point bending specimen size and sampling position

2 微觀組織分析

U75V重軌鋼的顯微組織如圖2所示。由圖可知，U75V重軌鋼組織由珠光體組成。軋態(tài)試樣的金相組織中可以清晰地觀察到珠光體片層（圖2a、圖2c），但熱處理試樣在光學顯微鏡下沒有觀察到珠光體片層（圖2b），說明熱處理態(tài)試樣的珠光體片層比軋態(tài)試樣的珠光體片層更細小，具有顯著的珠光體團簇（圖2d）。軋態(tài)試樣珠光體片層間距平均為272.2 nm，而熱處理態(tài)試樣珠光體片層間距平均為148.4 nm。熱處理態(tài)的珠光體片層間距細密且片層方向多樣。對比軋態(tài)試樣，熱處理試樣的珠光體片層排布方向比軋態(tài)試樣明顯增多。多角度交替排布的珠光體片層加大對位錯的阻礙作用，使得熱處理態(tài)U75V重軌鋼常規(guī)力學性能優(yōu)于軋態(tài)。

圖2 U75V重軌鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of U75V heavy rail steel

3 斷裂韌性曲線分析

根據(jù)圖3可知，軋態(tài)試樣的F-V曲線屬于第二種經典加載力-裂紋嘴張開位移曲線類型，需要通過拐點來確定FQ，并通過Fmax/FQ≤1.10是否成立來驗證FQ是否為有效值；熱處理態(tài)試樣的FV曲線是屬于第三種類型，其中Fmax=FQ，所以不需要確定是否有效。確定FQ為有效值后計算KQ值，并驗證其是否為KQ的有效值，然后將各數(shù)值匯入表2。

表2 U75V重軌鋼斷裂韌性參數(shù)Table 2 Fracture toughness parameters of U75V heavy rail steel

圖3 U75V重軌鋼斷裂韌性F-V曲線Fig.3 Fracture toughness F-V curve rolled sample of U75V heavy rail steel

由表2可以看出，軋態(tài)試樣的斷裂韌性值低于熱處理態(tài)試樣，且軋態(tài)試樣所能承受的最大載荷也明顯低于熱處理態(tài)試樣。通過對比斷裂韌性KIC值可以肯定，熱處理態(tài)試樣因其組織中出現(xiàn)珠光體團簇，且珠光體片層細密，其裂紋擴展受到較大的阻礙作用，導致斷裂韌性高于軋態(tài)試樣，這也是熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴展速率小于軋態(tài)試樣的原因。

3.1 斷口分析

U75V重軌鋼宏觀斷口形貌如圖4所示。觀察圖4可知，軋態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣的斷口表面平整，軋態(tài)試樣的斷口表面更明亮，說明軋態(tài)試樣晶粒較大。由此說明，軋態(tài)試樣韌性低于熱處理態(tài)。

圖4 U75V重軌鋼斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture surface of U75V heavy rail steel

軋態(tài)試樣斷口中有大量解理臺階和河流花樣，同時存在微裂紋，斷口呈顯著的解理斷裂特征（圖5a）。熱處理態(tài)試樣斷口中同樣存在大量解理臺階與河流花樣，但相對于軋態(tài)試樣，熱處理態(tài)的解理臺階體積較小，說明熱處理態(tài)試樣的晶粒尺寸較小，而且局部位置存在韌窩，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱，斷口呈現(xiàn)出顯著的準解理斷裂特征（圖5b）。

圖5 U75V重軌鋼斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of fracture surface of U75V heavy rail steel

3.2 斷裂韌性與裂紋張開位移

圖6、圖7分別為軋態(tài)和熱處理態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性應變測試圖。由圖6可知，軋態(tài)試樣在0～100 s時，表面應變沒有明顯變化；當試驗進行100～200 s時，因載荷增加，試樣表面應變出現(xiàn)明顯變化，試樣從彈性變形到塑性變形，直至斷裂。由圖7可知，熱處理態(tài)試樣在0～120 s時，表面應變沒有明顯變化；當試驗進行至120～200 s時，表面應變劇增，說明熱處理態(tài)比軋態(tài)更晚進入從彈性變形到塑性變形，直至斷裂的過程。

圖6 軋態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性試樣不同時間X方向應變圖Fig.6 X-direction strain diagram of fracture toughness sample of rolled U75V heavy rail steel at different times

圖7 熱處理態(tài)U75V重軌鋼斷裂韌性試樣不同時間X方向應變圖Fig.7 X-direction strain diagram of fracture toughness specimen of heat-treated U75V heavy rail steel at different time

表3是U75V重軌鋼斷裂韌性試驗的表面應變值。由表3可知，在試驗進行至120 s時，軋態(tài)應變值開始變化，呈現(xiàn)上升的趨勢，此時軋態(tài)應變高于熱處理態(tài)，差值為0.1365 mm；當試驗進行至160 s時，軋態(tài)、熱處理態(tài)應變值接近，此時軋態(tài)應變值低于熱處理態(tài)，差值為0.1227 mm；之后，軋態(tài)、熱處理態(tài)應變值增加程度相似，在160～180 s時，軋態(tài)增長0.0304 mm，而熱處理態(tài)增長0.5050 mm。熱處理態(tài)增長量遠超軋態(tài)；當試驗進行至200 s時，試樣斷裂，軋態(tài)、熱處理態(tài)應變值相近?？傮w來說，熱處理態(tài)U75V重軌鋼的斷裂要比軋態(tài)滯后，說明熱處理態(tài)U75V重軌鋼的斷裂韌性要大于軋態(tài)，與所測結果一致。

表3 U75V重軌鋼斷裂韌性試樣表面應變Table 3 Surface strain of fracture toughness and toughness specimen of U75V heavy rail steelmm

4 結論

1）熱處理態(tài)U75V重軌鋼的KIC為45.122 MPa·m1/2，軋態(tài)KIC為42.048 MPa·m1/2。軋態(tài)試樣珠光體片層間距平均為272.2 nm，而熱處理態(tài)試樣珠光體片層間距平均為148.4 nm。熱處理態(tài)U75V重軌鋼因其珠光體團簇且片層間距較小，阻礙裂紋擴展，對提高斷裂韌性起積極作用。

2）軋態(tài)U75V重軌鋼彎曲斷口中出現(xiàn)大量解理臺階和河流花樣，同時在斷口中存在微裂紋，斷口呈解理斷裂特征。熱處理態(tài)U75V重軌鋼的解理臺階體積較小，且局部位置存在韌窩，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱，斷口呈準解理斷裂特征。

3）軋態(tài)、熱處理態(tài)U75V重軌鋼三點彎曲斷裂韌性試樣表面應變與裂紋張開位移變化規(guī)律相似，但熱處理態(tài)U75V重軌鋼從彈性變形到塑性變形比軋態(tài)滯后。