回火工艺对贝氏体钢轨组织性能影响研究
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB0304503)；国铁集团科技研究开发计划项目(K2018G020)
金纪勇，硕士，教授级高级工程师,2011年毕业于中国科学院金属研究所材料工程专业。E-mail :***************
回火工艺对贝氏体钢轨组织性能影响研究
金纪勇1，刘宏2，王冬1，陈昕1，刘祥1
(1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009;
2.鞍钢股份有限公司产品发展部，辽宁鞍山114021)
摘要：利用TEM 、磁性分析法、液压伺服万能材料试验机对不同回火温度和二次回火的贝氏体钢轨组织性能进行分析。结果表明,350℃回火时，贝氏体钢轨残余奥氏体稳定，冲击韧性和-20℃断裂韧性较好;325℃保温10h 二次回火比325℃保温4h 二次回火得到的伸长率及断面收缩率更好，适用于实际生产工艺。
关键词：贝氏体钢轨；回火温度；断裂韧性；伸长率中图分类号:TG113.2
文献标识码:A
文章编号:1006-4613(2021)02-0019-04
Study on Effect of Tempering Process on Microstructures and
Properties of Bainite Rail
Jin Jiyong 1,Liu Hong 2,Wang Dong 1,Chen Xin 1,Liu Xiang 1
(1.Ansteel Iron &Steel Research Institutes ,Anshan 114009,Liaoning ,China ;
2.Product Developing Department of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning ,China )Abstract :The microstructures and properties of a Bainite steel rail with different tempering
temperatures and secondary tempering were analyzed by using TEM,magnetic analysis and hydraulic servo-universal material testing machine.The analytical results demonstrated that when tempered at 350℃,the retained austenite of the bainite rail was stable while its impact toughness and fracture toughness at -20℃were relatively good,and on the other hand
its elongation and reduction of area by secondary tempering at 325℃for 10h were much
better than that by secondary tempering at 325℃for 4h,which was suitable for the actual
production process.
Key words :bainite rail;tempering temperature;fracture toughness;elongation
贝氏体钢轨具有韧性好、疲劳强度高和耐磨性好等特点，逐渐成为各研究机构及企业关注的焦点[1-2]。应用在铁路道岔上的贝氏体钢翼轨及
尖轨使用寿命比高锰钢辙叉高出1倍以上，在铁路小半径曲线上使用寿命是热轧珠光体的3~5倍，已然成为未来重载铁路用高强耐磨钢轨发
展的研究重点[3]。出于铁路运营的安全性以及贝
氏体钢轨的组织特性考虑，正线铁路上应用的贝氏体钢轨一般采用低温回火热处理工艺以保证其组织与性能的稳定[3-4]。
为解析回火和未回火工艺对钢轨组织和力学
性能的影响，本文拟对不同回火温度、回火时间、回火次数条件下贝氏体钢轨的组织与性能进行研究，以指导贝氏体钢轨的实际生产工艺和应用。
1试验方法
试验钢轨材质为热轧贝氏体钢U22SiMn ，规
格为60AT ，主要化学成分见表1
。
19--
由表3可知，随着回火温度的提高，钢轨的
屈服强度和抗拉强度略有降低，但能分别保持在
表1试验钢轨化学成分(质量分数)Table 1Chemical Compositions of Testing Rails (Mass Fraction )
%
试验钢轨拉伸、断裂韧性试验取样及检测分析参照《TB/T 2344-201243kg/m~75kg/m 钢轨订货技术条件试验方法》，设备为液压伺服万能材料试验机和拉伸试验机；冲击试验试样取自试验钢轨轨头踏面下方，设备为夏比冲击试验机；残余奥氏体测量采用磁性法，组织分析采用场发射JEM-2010F 透射电子显微镜(TEM )，回火处理设备为箱
式电炉。试验钢轨回火工艺参数见表2。
表2试验钢轨回火工艺参数
Table 2Tempering Process Parameters of Testing Rails
2试验结果及分析
2.1回火温度对显微组织和力学性能的影响
2.1.1回火温度对显微组织的影响
材料的组织决定其性能，为了研究不同回火
温度条件下材料显微组织的变化，选取350℃和
450℃的回火试样，通过透射电镜对试验钢的显微组织进行深入观察，结果见图1和图2。
(a )板条贝氏体铁素体形态;(b )M-A 岛形态
图1350℃回火试样的TEM 形貌
Fig.1Appearance of Tempered Samples by TEM at 350℃
图2450℃回火试样的TEM 形貌Fig.2Appearance of Tempered Samples
by TEM at 450℃
可以看出,350℃回火试样的显微组织主要由不同尺度的M-A 岛、板条贝氏铁素体、残余奥氏体和极少量铁素体组成，而450℃回火试样的显微组织中贝氏铁素体板条上有明显的碳化物析出。
2.1.2回火温度对力学性能的影响
回火试验在250~550℃温度范围内进行，加热
炉升温至目标温度后装炉，保温4h 后出炉空冷。不同回火温度下力学性能参数见表3
。
状态R P0.2/MPa R m/MPa A /%Z /%
A KU /J -20℃K IC 平均值/(MPa ·m 1/2)
热轧950131012.018.057250℃回火985
130011.520.08054.8350℃回火1090124017.040.081
52.9400℃回火1030121017.036.548.532
450℃回火925121014.034.52528.0550℃回火
985
1240
13.0
40.0
表3不同回火温度下力学性能指标
Table 3Mechanical Properties at Different Tempering Temperatures
钢牌号C
Si
Mn
Cr U22SiMn
0.28
1.80
1.90
0.60
保温时间/h
回火次数/次
4
1
4121012
回火温度/℃
250
350400450550
325325
序号
1
2
3
金纪勇等：回火工艺对贝氏体钢轨组织性能影响研究
总第428期
20--
时，钢的强度没有显著降低，回火温度在350℃以上时，塑性均有明显的改善，断面收缩率由34.5%提高至40.0%。同时可以看出，回火温度对冲击韧性和断裂韧性影响较大，与热轧态钢轨相比,
350℃回火时，钢轨的冲击韧性为81J ，而400℃回火时，冲击韧性下降至48.5J ,450℃回火时冲击韧性急剧下降至25J ；断裂韧性的变化规律与冲击韧性相似,350℃以下回火,K IC 均在52.9MPa
·m 1/2以上,400℃回火后发生明显降低,K IC 为32MPa ·m 1/2，回火温度提高，断裂韧性继续降低,450℃回火时仅为28MPa ·m 1/2。
2.1.3回火温度对残余奥氏体含量和稳定性影响相关贝氏体钢的资料表明，残余奥氏体的稳定
性会对贝氏体钢的力学性能产生明显的影响[5-6]。因此，为进一步分析残余奥氏体对试验钢的力学性能影响，对不同回火温度的试样进行了未变形、施加3%的预变形两种条件下的残余奥氏体含量测定，结果见表4。
表4不同回火温度、3%预变形条件下残余奥氏体含量Table 4Content of Residual Austenite under Different
Tempering Temperatures and Pre-deformation (3%)%
结果表明，回火温度的变化确实引起了残余奥
氏体含量的变化，热轧态时残余奥氏体很不稳定，发生3%的变形时会引起41.2%以上的残余奥氏体发生
转变;250℃回火时，残余奥氏体所占的比例有所减少，约有27.7%的残余奥氏体发生了转变;350℃回火时基本实现残余奥氏体稳定化；随着回
火温度继续升高，残余奥氏体的含量下降趋于稳定，但残余奥氏体的稳定性明显降低，直到回火温度达到550℃时,51.1%的残余奥氏体发生转变。
结合表3和表4可以看出，当采用低温回火时，回火温度从250℃提高至350℃时，钢轨中残余奥氏体的含量有所降低，钢中残余奥氏体的稳定性逐渐提高，至350℃时最稳定，此时力学性能尤其是冲击韧性、断裂韧性得到最大程度的优化，达到最高值。回火温度进一步提高至450℃，残余奥氏体中碳饱和达到一定程度时，开始析出碳化物，残余奥氏体中的碳含量开始下降，残余奥氏体的稳定性也开始下降，温度进一步提高还会伴随着碳化物的聚集长大，引起贝氏体钢轨冲击韧性及断裂韧性的逐渐下降。2.2二次回火对力学性能的影响
实际生产中不可避免地会发生特殊情况，若一
次回火处理后未达到工艺要求，那么未达到工艺要求的钢轨是否能够挽救，二次回火处理的钢轨性能能否达到技术指标的要求。为研究上述问题，对325℃保温4h 一次回火和二次回火、325℃保温10h 一次回火和二次回火的试验钢轨性能进行分析，结果见表5。
处理状态
不变形残奥量
3%变形残奥量
残奥转变率
热轧19.411.441.2250℃回火
17.7
12.827.7350℃回火
14.613.2
9.6
450℃回火13.8
8.240.6550℃回火
4.5
2.2
51.1矫直钢轨回火制度R m/MPa 轨头圆角轨头1/2中心轨头中心
轨腰轨底
轨头1/2中心轨头中心轨腰轨底
轨头1/2中心轨头中心轨腰轨底轨头1/2中心轨头中心热轧矫直态1320132013001240127010801080890
985
910
7.5
12
15.518
6
25
韧性断裂325℃回火4h 一次
1350134012701210131011801050995116012.51213.51349.537.543.547.5325℃回火4h 二次1325133012801230130011901065100511401312.513.5133942.543.545.5325℃回火10h 一次132013301270122013001150104010101150
14.514.513.515.5595657.558325℃回火10h 二次1325
1335
1285122513101175
10601000116014.5
14
1515.5
59.5
58
5557.5
轨腰轨底R P0.2/MPa
轨头圆角
11201150113011601170
A /%
轨头圆角8
13.51315
15.5
Z /%
轨头圆角21.54847.55760
表5不同回火时间、二次回火的贝氏体钢轨拉伸性能
Table 5Tensile Properties of Bainite Rails by Secondary Tempering with Different Tempering Time
21--
可以看出，与热轧矫直态钢轨相比，钢轨在低温回火时抗拉强度基本保持不变，屈服强度有一定提升，尤其轨腰和轨底提升显著，断后伸长率和断面收缩率提升最为显著;325℃保温4h一次回火和二次回火得到的延伸率均偏低且数值基本一致，而325℃保温10h一次回火和二次回火得到的延伸率较好且数值基本一致。325℃保温10h 一次回火与325℃保温4h二次回火相比，贝氏体钢轨全断面(轨头圆角、轨头1/2中心、轨头中心、轨腰、轨底)伸长率提高了1.5%~2.5%，断面收缩率增加了9.5%~20%。由此可以说明，回火保温
4h条件下试图增加回火次数来提高延伸率效果不明显，只有适当增加回火保温时间才能提高延伸率，而回火保温10h的确提高了延伸率，而且一次回火即可达到预期效果。
与轨头中心相比，轨头圆角及1/2轨头中心更接近钢轨表面。因此，上述回火制度下该部位强度及延伸率均较好；在整个横断面的强度分布上，轨头部位的强度与延伸率最高，轨腰最低，轨底与轨头相当；回火后和回火前相比，强度略有降低，约降低20MPa，回火后轨头的平均强度在1330MPa。
3结论
(1)350℃回火处理时，贝氏体钢轨组织状态良好，未出现碳化物析出，残余奥氏体的稳定性最好，施加3%的残余塑性变形后，残余奥氏体的转变量为9.6%，冲击韧性和-20℃断裂韧性分别为81J和52.9MPa·m1/2，均达到较高水平。(2)回火温度低于或高于350℃时，贝氏体钢轨残余奥氏体稳定性降低，尤其是高于350℃时，残余奥氏体含量及稳定性急剧降低,450℃时组织出现明显的碳化物析出，冲击韧性和断裂韧性明显降低。
(3)增加回火次数对提高延伸率效果不明显，而适当增加回火保温时间可以提高延伸率。325℃保温10h一次回火与325℃保温4h二次回火相比，贝氏体钢轨全断面(轨头圆角、轨头1/2中心、轨头中心、轨腰、轨底)伸长率提高了1.5%~ 2.5%，断面收缩率增加了9.5%~20%，得到的贝氏体钢轨伸长率及断面收缩率较好，更适用于指导实际生产工艺。
参考文献
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(编辑田玉婷)
修回日期:2019-11-25
金纪勇等：回火工艺对贝氏体钢轨组织性能影响研究总第428期
JFE钢铁与必和必拓携手研究新型原料加工技术
近日，日本JFE钢铁公司与澳大利亚必和必拓集团(BHP)签订一项战略合作谅解备忘录(MOU)，双方将携手研究新型原料加工技术，以显著减少整个钢铁行业供应链中的二氧化碳排放量，尽快实现碳中和。JFE钢铁方面认为，全球气候变化给社会环境问题治理、企业维持正常运转带来严峻挑战，其计划到
2030财年，与2013财年相比二氧化碳排放量至少减少20%，到2050年实现碳中和。
JFE钢铁首席执行官北野佳久(Yoshihisa Kitano)表示，原材料加工技术的研发创新有利于尽快实现碳中和,JFE将与BHP保持紧密合作，共同研究原材料利用技术及新矿山的合理开发。必和必拓首席商务官潘文怡(Vandita Pant)表示，此次合作有助于日本达成2050年实现碳中和目标。
——摘自“铁诺咨询网”
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