简介概要

钒和铬对贝氏体车轮钢回火组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2020年第9期

论文作者：祝家祺谭谆礼张敏白秉哲翁宇庆

文章页码：957 - 966

关键词：铬;钒;贝氏体车轮钢;回火;组织;力学性能;

摘要：贝氏体车轮钢开发已经成为国际研究热点。新近开发的空冷型锰—硅系贝氏体车轮显示了良好的应用前景,但其成分和热处理工艺有较大改进空间。本文通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）观察和力学性能测试等系统研究了钒和铬对该系贝氏体钢,回火组织与力学性能的影响。结果表明,实验钢在空冷+低温回火后都可获得板条贝氏体+粒状贝氏体+残余奥氏体的组织。其中铬的添加可降低钢的贝氏体转变温度,在提高残余奥氏体的稳定性的同时,有利于贝氏体车轮钢强度和低温韧性提升。钒的添加可通过V（C,N）沉淀强化作用,使贝氏体车轮钢的屈服强度在480～560℃回火温度范围提高,得到显著的二次强化效果。但当铬与钒同时添加时,V（C,N）析出会受到抑制,二次强化效果明显减弱。此外,实验钢在400℃以上回火时会出现明显回火脆性,冲击功大幅下降。因此,在锰-硅系贝氏体车轮钢中添加钒和铬并在320℃回火时可以获得优化的强韧性能匹配。

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稀有金属 2020,44(09),957-966 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY20040011

钒和铬对贝氏体车轮钢回火组织与性能的影响

祝家祺谭谆礼张敏王军祥白秉哲翁宇庆

北京交通大学机械与电子控制工程学院

天津威尔朗科技有限公司

摘要：

贝氏体车轮钢开发已经成为国际研究热点。新近开发的空冷型锰—硅系贝氏体车轮显示了良好的应用前景，但其成分和热处理工艺有较大改进空间。本文通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）观察和力学性能测试等系统研究了钒和铬对该系贝氏体钢，回火组织与力学性能的影响。结果表明，实验钢在空冷+低温回火后都可获得板条贝氏体+粒状贝氏体+残余奥氏体的组织。其中铬的添加可降低钢的贝氏体转变温度，在提高残余奥氏体的稳定性的同时，有利于贝氏体车轮钢强度和低温韧性提升。钒的添加可通过V(C,N）沉淀强化作用，使贝氏体车轮钢的屈服强度在480～560℃回火温度范围提高，得到显著的二次强化效果。但当铬与钒同时添加时，V(C,N）析出会受到抑制，二次强化效果明显减弱。此外，实验钢在400℃以上回火时会出现明显回火脆性，冲击功大幅下降。因此，在锰-硅系贝氏体车轮钢中添加钒和铬并在320℃回火时可以获得优化的强韧性能匹配。

关键词：

铬;钒;贝氏体车轮钢;回火;组织;力学性能;

中图分类号： TG142.1

作者简介：祝家祺（1990-），男，北京人，博士研究生，研究方向：贝氏体钢组织与性能，E-mail:1211861714@qq.com；;*谭谆礼，研究员，电话：13811678974,E-mail:tzli@bjtu.edu.cn;

收稿日期：2020-04-12

基金：国家重点研发计划项目(2017YFB0304504)资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Tempered Bainitic Railway Wheel Steels with Addition of V and Cr

Zhu Jiaqi Tan Zhunli Zhang Min Wang Junxiang Bai Bingzhe Weng Yuqing

School of Mechanical and Electronic Engineering,Beijing Jiaotong University

Tianjin Will Long Sci.& Tech.Co.,Ltd.

Abstract：

Bainitic wheel steels have drawn high attentions in the world.A new Mn-Si bainitic wheel steel developed recently demonstrates excellent general properties,while it is noted that this new bainitic steel could be highly elevated by adjustment of chemical composition and heat treatment. In this work,the influence of vanadium and chromium addition on tempered microstructure and mechanical properties of these steels were studied through scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM)and mechanical properties tests etc. The results showed that the microstructures of all experimental steels after low temperature tempering were mainly lath bainite,granular bainite and retained austenite. Cr addition had significant effect on reducing bainitic transformation temperature as well as enhancing the retained austenite's thermal stability,which benefited in the increment of hardness and low temperature toughness. V addition could enhance the yield strength through precipitation strengthening of V(C,N)when it was tempered at 480～560 ℃,presenting remarkable secondary strengthening. But when V and Cr were added simultaneously,this strengthening would be weakened because of the restraint of V(C,N)precipitation. Moreover,when tempering temperature exceeded 400 ℃,temper embrittlement occurred for both experimental steels and the impact energy greatly declined. So bainitic wheel steels containing V and Cr would reach the best match of strength and toughness when it was tempered at 320 ℃.

Keyword：

vanadium; chromium; bainitic wheel steel; tempering; mechanical properties;

Received： 2020-04-12

近年来我国铁路网建设高速发展，随着列车行驶时速加快和轴重不断增大，车轮因为磨损和疲劳剥落等导致的失效问题更加严重，出现频率也更高 ^[1,2,3,4] 。现有工程技术条件下珠光体车轮强度和韧性等的匹配已接近极限，难以满足铁路发展的需求 ^[5] 。因此，具有更好强韧塑性等综合性能匹配的贝氏体组织得到了越来越多关注，其在轨道交通领域关键零部件的开发应用已成为了世界范围内的研究热点，已有贝氏体钢被成功应用于钢轨、道岔等铁路产品 ^[6,7,8] 。而在贝氏体车轮方面，国内外虽已进行了广泛研究 ^[9,10,11] ，但截至目前，因为诸多方面原因仍然未见其成熟应用的报道。

最近，Zhang等 ^[12] 研究了一种新型贝氏体车轮钢，其屈服强度、冲击韧性和断裂韧性等相比现有CL60车轮呈现出相当的优势，显露出良好的未来发展空间。该车轮以锰、硅为主要合金元素，添加少量钼和钒，直接采用淬火后堆冷方式进行。但是，该车轮未经回火处理，其屈强比和冲击功相对于其他同类型贝氏体钢回火后的性能存在较大的提升空间 ^[13,14] ，且其成分中是不含铬元素的 ^[12,15] ，其轮辋强度相比铬含量0.8%的贝氏体钢轨低350MPa左右 ^[16] 。

近年来，在贝氏体钢中添加稀土元素或稀有元素以改善性能的研究屡有报道 ^[17,18] 。其中，钒作为钢中常见的微合金化稀有元素，可通过形成细小的VC或V(C,N）第二相粒子，起到沉淀强化以及抑制高温奥氏体晶粒长大，促进贝氏体形核，细化显微组织等作用 ^[19,20,21] 。值得注意的是，VC或V(C,N）的沉淀强化作用需经过一定时效处理获得一定量的粒子才能呈现显著效果 ^[22] 。而铬作为锰—硅—铬系贝氏体钢中的重要元素之一，在从高温连续冷却的过程中，常被用于抑制高温铁素体转变，提高淬透性的合金元素之一 ^[23] 。桂晓露等 ^[24] 研究了铬元素对贝氏体连续冷却转变规律的影响，发现铬可降低贝氏体转变温度，少量添加即可显著提高贝氏体钢的显微硬度。尹桂丽等 ^[25] 对非调质钢中不同元素的固溶强化规律进行了研究，结果表明，每添加0.1%的铬可提供70 MPa的固溶强化增量，且该增量可线性维持至0.5%（质量分数）含量。而当铬与铜同时添加时可明显提高钢的耐蚀性能 ^[26,27,28] ，进而提升产品在温热、潮湿等环境下的服役寿命和运行安全性。

因此，若在上述贝氏体车轮钢中添加一定量钒和铬元素，并加以回火处理，很可能显著提高其强韧性能匹配，且有利于车轮的磨损等服役性能提高。但截至目前，未见有关于铬和钒对贝氏体车轮钢性能影响的报道。因此，以不同钒、铬含量的的锰-硅系贝氏体车轮钢为研究对象，对实验钢在不同温度下进行回火处理，通过显微组织观察和力学性能测试等的对比，分析了钒与铬相互之间的作用，以及二者的添加对贝氏体车轮钢的影响。

1 实验

1.1 材料

实验用钢成分如表1所示，分别为不添加铬的BL-V钢和添0.6%（质量分数）铬的BL-V-Cr钢，二者钒添加量均为0.09%。实验钢经感应熔炼后浇注成25 kg铸锭，随后进行锻造，切割成小块进行去应力退火。将试样在930℃奥氏体化保温40 min后空冷至室温，再分别在240～640℃间不同温度下进行回火，回火时间为5 h。

1.2 方法

采用万能拉伸试验机进行室温拉伸实验测试材料的力学性能，拉伸速度1 mm·min^-1，试样为M12标准拉伸式样。用JBDS-300B型冲击实验机在-40～20℃环境下进行全尺寸U型缺口室温和低温冲击韧性实验。微观组织观察通过蔡司EVO.18扫描电子显微镜（SEM）以及FEI TECNAI G20透射电子显微镜（TEM）进行观察，第二相析出物通过TEM能谱仪（EDS）进行表征。显微组织中的残余奥氏体（残奥，retained austenite,RA）和其中的碳含量通过X射线衍射分析（XRD）进行测定，使用θ-2θ模式，以3（°）·s^-1的速度扫描35°～95°范围，残余奥氏体的含量可通过奥氏体（200),(220),(311）特征峰和铁素体（200),(211）特征峰整体强度对比计算得出，残奥中的碳含量χ_C可通过奥氏体特征峰的偏移量先计算出奥氏体的晶格常数α_γ，再通过以下公式计算得出 ^[14] :

表1 实验钢的化学成分下载原图

Table 1 Chemical composition of experimental wheel steel(%,mass fraction)

2 结果与讨论

2.1 铬对含钒贝氏体车轮钢组织的影响

2.1.1 SEM组织分析

不同回火温度下BL-V-Cr钢的SEM组织如图1所示。可见，含钒铬贝氏体车轮钢空冷+低温回火状态下的显微组织为板条贝氏体（LB）和粒状贝氏体（GB）（图1(a））。经400℃回火后组织中仍存在较多块状残余奥氏体（retained austenite,RA），说明实验钢中的残奥具有较高的热稳定性（图1(b））。随着回火温度继续升高，480℃回火后可以看到大部分块状的残奥组织都已发生分解，组织中的贝氏体板条有合并趋势；560℃回火后贝氏体板条大量合并变得粗大，有多边形铁素体出现，并在局部开始发生再结晶；640℃回火时的组织几乎全部发生了再结晶，并且可以看到有大量第二相析出沿再结晶的晶界分布（图1(c～e））。

不含铬的BL-V钢空冷基本组织和其随回火温度的变化趋势与含铬钢基本一致，如图2所示。低温回火下BL-V钢组织同样为板条贝氏体和粒状贝氏体，并且480和640℃回火后都观察到了残奥分解以及再结晶现象。综合以上显微组织演变可以发现，添加钒的两组贝氏体车轮钢在空冷后都得到了较为精细的组织结构。这可能是由于V(C,N）在钢的冷却过程中析出，在贝氏体转变的过程中可以一定程度上限制贝氏体板条术的长大，从而获得了更细小的显微组织 ^[29] 。

2.1.2 TEM组织分析

通过TEM观察可以判断两组钢典型微观组织的细化程度。从图3(a,b）可见，320℃回火时，添加有钒的两组钢贝氏体板条宽度都处在亚微米级。通过对板条平均宽度的统计发现，添加铬的BL-V-Cr钢贝氏体板条平均宽度为422 nm，是不含铬BL-V钢的3/4左右。这可能是由于铬在相界面偏聚可产生拖曳作用，延缓了贝氏体转变，使贝氏体组织在较低温度形成 ^[30] ，进一步细化了板条宽度。

图1 不同回火温度BL-V-Cr钢组织SEM图像

(a)320℃；（b)400℃；（c)480℃；（d)560℃；（e)640℃

图2 不同回火温度BL-V钢组织SEM图像

Fig.2 SEM images of BL-V steels tempered at different temperatures

(a)320℃；（b)480℃；（c)640℃

图3 320℃回火下BL-V钢和BL-V-Cr钢TEM图像

Fig.3 TEM images of BL-V(a)and BL-V-Cr(b)steels tempered at 320℃

图4所示是两组钢在480℃回火下的TEM图像。该回火温度下，组织中开始有细小的颗粒状析出，尺寸在10～30 nm，析出的颗粒分布在铁素体板条内部和板条间，相比之下含铬钢中的析出要少于不含铬钢。由于析出物分布较分散且尺寸较小，无法通过选区衍射来确定析出物种类，故采用TEM-EDS对含析出物较多的560℃回火BL-V钢试样中的析出（点A）进行了表征（图5(a））。由图5(b）的EDS结果可见，析出物附近区域的合金组成中包含有0.8%的钒，远高于添加量0.09%，故而这些细小的颗粒状析出可推断为含钒的碳氮化物析出。

此外，在560℃回火的BL-V钢的TEM图像中，还可看到在铁素体板条间，有呈椭圆状或杆状的析出沿板条界或晶界分布，甚至有些地方析出会占据满整条界面（图5(c））。同样对其中一处（点B）析出物进行EDS测试，但从图5(d）的结果看，除Mn含量较高外，其余合金元素含量与其添加量基本一致，无法确定其具体构成。不过结合此时贝氏体组织中的残余奥氏体含量可能已经非常少，这些析出可能是原本膜状残余奥氏体在较高温度回火时分解得来。而如图6所示，在560℃回火的BL-V-Cr钢TEM图像中同样可以观察到细小颗粒状的钒的碳氮化物析出和界面间析出。

由以上结果可知，在480～560℃较高温度回火下，实验用贝氏体车轮钢中会形成两种不同类型的第二相析出。其一为在480℃回火后开始较多出现的细小颗粒状V(C,N）析出，且在铁素体板条内部分布居多，这可能有助于材料的强度和耐磨性能的提高 ^[31] ；但同时在更高的回火温度下，两种钢中都出现了另一种沿板条界或晶界处分布且尺寸较大的析出物。而回火时晶界的析出会降低界面的结合力，更容易发生沿晶断裂，造成回火脆性 ^[32] 。因此，若对该系贝氏体车轮钢进行较高温度回火处理，其组织中析出物的变化应予以格外关注。

图4 480℃回火下BL-V钢和BL-V-Cr钢内部颗粒状析出TEM图像

Fig.4 TEM images of BL-V(a)and BL-V-Cr(b)steels tempered at 480℃

图5 560℃回火下BL-V钢中第二相析出的TEM图像和EDS结果

Fig.5 TEM images(a,c)and EDS results(b,d)of precipitation in BL-V steels tempered at 560℃

图6 560℃回火下BL-V-Cr钢中第二相析出的TEM图像

Fig.6 TEM image of precipitation in BL-V steels tempered at560℃

2.1.3 残余奥氏体分析

图7为两组钢在240～440℃温度回火后残余奥氏体含量和残奥中碳含量的变化。由图7(a）可知，当回火温度在240～400℃时，含铬BL-V-Cr钢中的残余奥氏体含量都在7.8%上下，基本无变化；而如图7(b）所示，不含铬的BL-V钢虽然在240℃回火时的残奥含量比BL-V-Cr钢稍高，为8.2%，但随着回火温度升高，其残奥含量呈略微降低的趋势。除240℃回火时外，BL-V-Cr钢的残奥含量都高于BL-V钢的。当回火温度提高到440℃后，两组钢中的残奥含量相比之前都有大幅下降，残奥的转变量开始迅速增大，这与先前组织观察中得到的结果一致，此时含铬钢中的残奥含量仍高于不含铬钢。可见，添加铬有助于提高回火后组织中残余奥氏体的含量，有利于残余奥氏体热稳定性的提升。残余奥氏体的热稳定性与其马氏体转变开始温度Ms有关，Ms与各元素含量的关系如式（2）中所示 ^[13] :

式中，χ_C，χ_Mn，χ_Cr，χ_Si分别为奥氏体中碳、锰、铬、硅元素的质量分数。可见添加铬的确有助于提高残奥的热稳定性。

由式（2）可知，相比铬元素含量，碳元素含量对残余奥氏体稳定性的影响要显著许多。结合XRD的结果，经过计算得到了两组钢不同温度回火后残奥中碳含量的变化情况。如图7中折线部分所示，随回火温度的升高，两组钢残奥中的碳含量变化趋势皆为先升高后下降，且都在280℃左右达到最高峰值。而在其后残奥碳含量下降阶段中，280～360℃回火时碳含量的下降较为平缓，虽有下降但仍高于240℃回火时的。但当回火温度上升到400℃以上时，两组钢残奥中的碳含量都开始快速下降。而碳作为稳定奥氏体的元素，其在残奥中含量的降低会导致残奥稳定性下降，这可能是造成440℃以上回火时钢中残奥量出现明显下降的原因。通过对比两组钢中残奥碳含量可知，当回火温度在400℃时二者基本相同，400℃以下回火时，含铬的BL-V-Cr钢残奥中的碳含量较高，而400℃以上回火时则相反，不含铬的BL-V钢更高。这表明含铬钢中的残余奥氏体在400℃以下回火时具有更高的热稳定性。

图7 不同回火温度后BL-V-Cr和BL-V钢残余奥氏体含量和残奥中碳含量

Fig.7 Volume fraction and C content of RA in BL-V-Cr(a)and BL-V steels(b)tempered at different temperatures

由于XRD方法测量精度的原因，440℃回火时残奥量已经降到5%以下，更高温度回火时残奥含量将会更低，所以本文未对440℃以上回火后残奥含量等进行讨论。

2.2 铬对含钒贝氏体车轮钢力学性能的影响

2.2.1 室温力学性能

不同回火温度下车轮钢力学性能测试结果如图8所示。回火温度在240～480℃范围时（图8(a,b）），含铬的BL-V-Cr钢的抗拉强度和屈服强度都明显高于不含铬的BL-V钢。其原因一方面是由于铬的添加降低了贝氏体的转变温度，使贝氏体车轮钢获得了相对更细的贝氏体组织，起到了细小组织强化的作用；另一方面是由于铬自身固溶强化的作用，提升了含铬贝氏体车轮钢的强度。

随着回火温度的升高，两组实验钢的抗拉强度变化都不明显，但屈服强度都在各自的特定温度范围有十分显著的提升。含铬BL-V-Cr钢的屈服强度在360～400℃回火时达到最高1009 MPa，而不含铬BL-V钢的屈服强度则在560℃回火时达到最高858 MPa。从回火后车贝氏体车轮钢组织的变化看，BL-V钢从480℃回火时开始出现较多的V(C,N）析出，其屈服强度相比440℃回火时提高了39 MPa。V(C,N）析出强化对实验钢屈服强度（σ_p）的贡献可由Ashby-Orowan公式计算得出 ^[33] :

式中，为析出物的平均尺寸（μm),f为析出相的总体积分数。从类似图4(a）的TEM图像中可统计计算出480℃回火时BL-V钢中V(C,N）析出的平均尺寸约为19 nm，平均总体积分数约为0.00088。代入式（3）中计算便可得出BL-V钢480℃回火后，V(C,N）对屈服强度的析出强化贡献约为40 MPa，与440～480℃回火时屈服强度的提升幅度接近。由此可说明，含钒贝氏体车轮钢480℃回火时屈服强度的提升主要贡献源自V(C,N）细小颗粒析出的沉淀强化作用。此外，V(C,N）的析出还可一定程度上钉扎住位错，减缓回火时位错的回复和位错密度的下降，也是屈服强度回升的原因之一 ^[10] 。当回火温度上升到560℃时，V(C,N）析出量逐渐增大，屈服强度也提升到最高值。而BL-V-Cr中由于添加了碳化物形成元素铬，可能由于在360℃左右会析出铬的碳化物，所以BL-V-Cr钢的屈服强度在360℃附近回火时有相比BL-V钢更显著的提高。但可能是由于先前碳化物的大量析出使得其基体中的碳含量降低较多，限制了后续V(C,N）的析出，故而BL-V-Cr钢560℃回火时屈服强度相比480℃回火时并没有提升。640℃回火时，两组实验钢都由于再结晶的作用而出现十分显著的强度下降。

图8 两组实验钢不同回火温度下的抗拉强度，屈服强度，断后伸长率，冲击功

Fig.8 Tensile strength(a),yield strength(b),elongation(c),impact energy(d)of BL-V-Cr and BL-V steels tempered at different temperatures

在塑性和冲击韧性方面，两组实验钢断后伸长率和冲击功的差距都较小，且随回火温度的变化趋势也基本一致。如图8(c）所示，在不同回火温度下，二者断后伸长率基本都能维持在16%以上，都表现出较好的塑性。而360℃以下回火时（图8(d）），两组实验钢的冲击功都高，最高时达160 J以上。但400℃回火时二者的冲击功都出现严重降低，且随着回火温度的升高继续降低。BL-V-Cr钢和BL-V钢的冲击功分别在480和560℃回火时降到最低的49和51 J，可见，两组实验钢在400～640℃回火温度区间内都表现出明显的回火脆性。

综上所述，贝氏体车轮钢在320℃左右回火时可以获得最佳的综合力学性能，在该温度下，添加铬的贝氏体车轮钢在强度上具有显著优势，同时冲击韧性更也更高。由于V(C,N）的沉淀强化作用，钒的添加可使贝氏体钢在480～560℃回火时出现显著的二次强化现象，屈服强度大幅升高。但是，当铬与钒同时添加时，钒的二次强化作用会被严重减弱，故该体系含钒贝氏体钢若希望利用钒在高温回火后的析出强化作用时，应限制铬的含量。

2.2.2 低温冲击性能

图9 两组实验钢320℃回火后低温冲击性能

Fig.9 Low-temperature impact performance of BL-V-Cr and BL-V steels tempered at 320℃

图9为两组钢320℃回火试样低温冲击功曲线。两组钢在低温冲击曲线中冲击功随温度的下降都较为平均，未出现明显的韧脆转变点，表现出良好的低温冲击性能。有报道指出，贝氏体钢的韧脆转变温度与粒状贝氏体组织数量和其晶粒尺寸有紧密联系，而此处可能与钒的加入可细化贝氏体组织有关，细小的组织有利于韧脆转变温度的降低 ^[34] 。相比之下，在测试温度-40～20℃范围内，含铬钢的冲击功都要高于不含铬钢，表现出更优的低温性能。含铬钢的冲击功平均要高出不含铬钢11.6 J，尤其在0℃时，含铬钢的冲击功为137 J，相比不含铬钢高31 J。由前述2.1.3知，320℃回火情况下，含铬钢中残奥的含量和稳定性都要高于不含铬钢。M_s点更低的含铬钢也能更有效延缓残奥在低温下的分解，甚至在0℃下也可使绝大部分残奥得以保留。故含铬贝氏体车轮钢更好的低温冲击性能可使其在较低温工况下具有更佳的稳定性和安全性，适用于更复杂的使用环境。