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1、内蒙古科技大学材料加工课程论文内蒙古科技大学材料加工课程论文贝氏体钢轨热处理工艺的研究姓 名：杨亮班 级：成型13-6学 号：1376806616指导老师：董瑞 2016年6月30日贝氏体钢轨热处理工艺研究摘要：本文主要介绍了贝氏体钢轨的组织性能，对新型实验贝氏体钢轨的力学性能、显微组织进行研究，对比热轧状态和热处理回火状态下钢轨的力学能和显微组织变化。分析了国内外贝氏体钢轨的成分设计、力学性能和回火工艺，并展望了抗拉强度为1400 MPa 的贝氏体钢轨生产。研究 了获得贝氏体结构的 2 种方法 ：强化热处理或者采用钢的合金化处理，无论从技术角度，还是经济方面来讲，后一种方法更可取。利用 自发
2、硬化的贝氏体钢可以从钢轨的生产工艺中排出大容量油淬火这样 昂贵的：工序 ，也可以消除由油淬火带来一系列缺点 ：火灾危险 、高发烟性 、对 周围环境的污染性。去除钢轨大容量淬火甚至可以改善钢轨 的平直度。作为研究贝氏体钢轨化学组成 的基础为下列基本条件：必须保证没有利用淬火冷却的钢轨整个断面的贝氏体结构均匀；经济合金化化学元素的利用 ；保证钢轨机械和工艺特性 的高水平 ；提高生产效率 ；改善工作的工艺生态条件。关键词：贝氏体；钢轨；化学成分；回火工艺The Bainite RailS Heat Treatment Technology was StudiedAbstract ：This arti
3、cle mainly introduced the microstructures and properties of bainite steel. The mechanical properties and microstructure of experimental bainitic rail steels were studied. The mechanical properties and microstructure in rolled condition and tempered condition were compared.The composition design，mech
4、anical properties and tempering process of bainitic rails at home and abroad are analyzed as well as the productions of bainitic rails with tensile strength of 1 400 MPa are prospectedStudied the two methods of bainite structure was obtained: strengthening heat treatment or steel alloying treatment,
5、 no matter from the technical point of view, or economic terms, the latter method is more preferable. Spontaneous hardening bainitic steel can be used to from the eduction in rail production technology of big capacity of oil quenching so expensive: L order, also can eliminate by oil quenching brings
6、 a series of disadvantages: fire danger, high incidence of smoke, polluting on the surrounding environment. Large capacity remove rail quenching can even improve the straightness of the rail. As the basis of the bainite rail chemical composition for the following basic conditions: must make the pled
7、ge that we shall not use quenching rail the whole cross section of a uniform bainite structure; Economy the use of alloying elements; Ensure the machine to the rails.Key words ： bainitic；rail；chemical compositions；tempering process3目录目录3引言41.贝氏体钢轨的组织性能41.1 钢轨的组织51.2 钢轨力学性能61.3 贝氏体钢轨断裂力学性能72. 国内外贝氏体钢
8、轨成分和热处理工艺73.总结10参考文献11引言 在20世纪80年代，叫做“Titan”的贝氏体钢轨首先在美国研制成功，并成功用在高铁上。贝氏体钢轨具有良好的强韧性、耐磨性和使用寿命长等优点，抗拉强度达到1 400 MPa，同时伸长率能达到15%18%。经试验检验，贝氏体钢轨比珠光体钢轨的使用寿命长几倍，各项机械性能指标更优秀。世界各国近几十年来一直致力于强韧性、耐磨性好的贝体钢轨研究探索，力求实现钢轨的更新换代，以率先取得全球范围的市场1。美国研究的含硅、钼贝氏体组织钢轨，代表钢种为J1J6，硬度可达到360490 HB，抗拉强度达1 3001 500 MPa。英国也开始研究含锰、钼元素的钢
9、轨，其中还加入铌和铬。2002年鞍钢与铁道部铁科院合作，在我国率先启动了“高强韧性贝氏体钢轨”研究项目，开发出CSiMnMo系贝氏体钢轨并实现批量生产。贝氏体钢轨强度高，塑性好，显示出强度和塑韧性极好的配合，韧性是珠光体钢轨的23倍,所以目前世界上新高强度重载钢轨的研发重点主要集中在贝氏体钢轨的开发上。方鸿生等人探索了贝氏体的形成机制，并且开发出了以廉价Mn、Si、Cr为主要合金元素的锰系空冷贝氏体钢系，其中包括用于铁路道岔的超高强无碳化物贝氏体/马氏体复相钢(CFB/M)3。与包钢合作生产的铁路道岔已铺设于京沪、京广、大秦、石太等我国主要线路上使用，明显提高了道岔轨的使用寿命。鞍钢早在200
10、2年就开始与铁路部门合作，开发出了抗拉强度为1200MPa级的无碳化物贝氏体钢轨，并围绕其组织性能和使用安全性展开了一系列的研究。在铁路干线上进行试铺，未出现剥离掉块和严重斜裂纹等疲劳损伤，焊接接头表现良好。1.贝氏体钢轨的组织性能 贝氏体钢轨采用低 C-Si-Mn-Mo 合金系, 组织是无碳化物贝氏体。技术指标见表 1, 技术指标的确定充分考虑了贝氏体钢轨的特点:强度级别达到淬火珠光体钢轨的水平 ,屈强比较高 ,强韧性匹配比较好,韧塑性优于珠光体钢轨0 表 1 贝氏体钢轨的性能指标 Table 1 Target properties of bainitic railsReL/R m/KIC
11、的平均值 牌号A/ %(-20 )/MPaM Pa(MPa m1/2)AB19001 18012401 .1 钢轨的组织 钢轨轨头的金相组织为贝氏体(图 1), 透射电 子显微镜观察的显微组织形态为贝氏铁素体和M-A 岛,贝氏铁素体大多呈板条特征 , 所占比例在 80 %以上 ,利用薄膜法和萃取复型的方法观察,均未发现 任何形式的碳化物。利用场发射透射电镜 FEM-TEM(JEM-2010F)观察的板条之间的组织形貌见图 2 、3 , 板条之间组 织的衍射花样见图 4 , 经标定确认板条之间的组织 是残余奥氏体2。 采用磁性法定量分析钢轨组织中的残余奥氏 体 , 试验设备为LDJ9600振动样
12、品磁强计 , 样品寸 2 mm 2 mm 。试验结果见表 2 , 用钢轨轨头加 工的试样拉伸产生 3 %塑性变形后, 残余奥氏体含 量为 11 .8%,比拉伸前减少了 3 %,说明未变形组织 中 20 %的残余奥氏体发生了转变;模拟钢轨轨底低 温(-40 )使用状态 :在280 M Pa 交变应力上叠加 350 M Pa 的残余拉应力 ,试样经 5 百万次疲劳试验 后 ,残余奥氏体基本未发生转变 ,这说明钢轨在比较 苛刻的使用状态下残余奥氏体基本是稳定的5。 表 2 残余奥氏体分析结果 Table 2 Test results of residual austenite试样状态未变形拉伸产生
13、3 %的塑性变形疲劳试验 5 百万次(-40 , 交变应力:280 MPa +350 MPa)残余奥氏体的体积分数/ %14 .811 .814 .41.2 钢轨力学性能 在室温、-20 、-40 等试验条件下 , 钢轨的拉伸性能、冲击韧性及轨头踏面布氏硬度检验结果见表 3。表 3 的检验结果说明:贝氏体钢轨室温强韧性达到了较高的水平, 在 -20 、-40 的环境中仍保持着较高的韧塑性 ,且拉伸强度有所提高2。表 3 贝氏体钢轨的力学性能Table 3 Mechanical properties of bainitic rails拉伸性能(轨头)冲击功/ J试验温度ReL/M PaR m/
14、M PaA/ %Z/ %轨头纵向轨腰横向轨头踏面硬度(HB)室温1 100 , 1 0701 270 , 1 25016 .0, 12 .040 .0, 32 .076 , 72 ,88(78.7)79 , 86, 86(83 .7)363 375-201 153 , 1 1341 312 , 1 30617 .5, 16.554 .5, 55.553 , 56 ,72(60.3)56 , 58, 61(58 .3)- -401 198 , 1 1881 315 , 1 30519 .0, 20.556 .5, 59.042 , 26 , 40(36.0)46 , 47 , 54(49 .0)-注:括号内为平均值。 钢轨轨头按纵向、轨腰按横向取样检验钢轨的 冲击韧性(U 形缺口)。检验结果说明:贝氏体钢轨 的冲击韧性良好, 室温冲击功已达到 70 J 以上 , 低 温冲
