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辙又用贝氏体钢热处理工艺研究

文档作者：曹栋2 康杰2 龙晓燕2 王艳辉2 张福成文档来源： 1．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 2．燕山大学材料科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2025年10月05日
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第5O卷第4期
2014年2月
机械工程学报
JOURNAL OF M ECHANICAL ENGINEERING
VO1．50 NO．4
Feb． 2014
DoI： 1O．3901／JM E．2014．04．047
辙又用贝氏体钢热处理工艺研究木
曹栋 ，2 康杰 ，2 龙晓燕 ，2 王艳辉 ，2 张福成 ，2
f1．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室秦皇岛066004；
2．燕山大学材料科学与工程学院秦皇岛066004)
摘要：对新型辙叉用含A1贝氏体钢进行热处理工艺对比研究。通过对比分析直接空冷、贝氏体开始转变温度(Bs)之前快冷
后空冷以及等温淬火之后的组织及性能，发现等温淬火的组织具有最佳的综合力学性能，且组织最细。但等温淬火工艺会导
致较高的生产成本，并且辙叉本身较大的尺寸导致在实际生产中较难实现。所以根据等温淬火的工艺特点设计出在温度B
之前快冷，温度B 与马氏体开始转变温度(Ms)温度期间置于炉中保温缓冷，最后空冷的三阶冷却方式，结果表明三阶冷却
方式处理之后的贝氏体钢具有和等温淬火相似的组织形貌及大致相同的强韧性。对接近实际铁路辙叉尺寸的大块试样的不同
冷却方式的冷却曲线进行测定，发现油冷不仅能够达到所需的冷速且容易在实际生产中应用。
关键词：贝氏体钢；热处理；力学性能；组织结构；铁路辙叉
中图分类号：TG142
Research on Heat Treatment of Bainitic Steel Crossing
CAO Dong ， KANG Jie ， LONG Xiaoyan ， W ANG Yanhui ， ZHANG Fucheng ’
(1．State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,
Yanshan University,Qinhuangdao 066004；
2．College of Materials Science and Engineering，Yanshan University,Qinhuangdao 066004)
Abstract：A comparison study is performed on the heat—treatment processes of a new bainitic steel containing A1 used for railway
crossing．Microstructures and properties obtained by air cooling，fast cooling before bainite transformation starting temperature(Bs)
followed by air cooling and isothermal quenching are analyzed．Results show that the microstructure obtained by isothermal
quenching is the finest and possesses the best comprehensive properties．However,higher production cost is caused by isotherm al
quenching and it is not available in actual production limited by the large size of railway crossing．Based on the character of
isothermal quenching process，a three-step cooling method is designed，which consists of fast cooling before Bs point，then slow
cooling in furnace between Bs and martensite transformation starting temperature(Ms)and eventually followed by air cooling．It is
found that the microstructure，strength and toughness obtained by the three·step cooling method are almost the same as that of
isothermal quenching．The cooling curves of the bulk samples close to the actual size of rail crossing under different cooling ways are
measured and find that oil cooling can achieve the required cooling rate and easy to realize in actual production．
Key words：bainitic steel；heat treatment；mechanical property：microstructure；railway crossing
0 前言
高锰钢作为铁路辙叉材料已经拥有了悠久的
历史【1】，但是高锰钢辙叉一般由铸造制造，不可避
免存在大量缩孔、疏松、晶粒粗大的现象，同时，
因为其强度低 。]，已经无法适应重载线路使用要
国家杰出青年科学基金(5O925522)和国家自然科学基金(5O871094)资
助项目。20130312收到初稿，20130803收到修改稿
求，因此研发新型辙叉材料成了必然。随着贝氏体
相变理论的不断成熟，人们对贝氏体组织及性能的
了解不断深入，国内外大量的辙叉材料研究者开始
对其展开研究。20世纪8O年代，英国首先研制出
了代号为Titan的贝氏体钢辙叉，并且进行了少量
的铺设 J。1996年美国铁路协会与俄勒冈科学技术
研究院合作开发出了代号为J9的贝氏体钢辙叉材
料 J。我国最早开始研发贝氏体钢辙叉是1998年清
华大学与中铁宝桥集团有限公司，它们合作研制出
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48 机械工程学报 第50卷第4期
的具有良好低温冲击韧度的新型Mn．B系铁路辙叉
用贝氏体钢，该钢的抗拉强度大于1 300 MPa，同
时具有较好的韧性， 为我国贝氏体钢辙又的研究和
应用奠定了基础【oJ。后来浙江贝尔通信集团有限公
司与铁道部科学研究院共同开发了MnSiCrMoNi系
贝氏体钢组合辙叉，并得到广泛应用。燕山大学经
过多年的努力开发了铁路辙叉专用含铝贝氏体钢，
其综合力学性能十分优异 J。目前，我国贝氏体钢
辙叉已经在铁路线路上广泛应用，并且在1 60 km／h
以上运行速度的铁路线路上使用的辙叉基本都是采
用贝氏体钢制造。
英国剑桥大学GARCIA等 研究发现钢中添加
适当的Al，可以增加钢的贝氏体相变驱动力，从而
加快贝氏体转变。随后燕山大学课题组研究发现，
含Al贝氏体钢不仅具有优异的综合力学性能，而且
具有低的氢脆敏感性，还大幅度提高了钢的延迟断
裂性能Uo-121研究。研究还发现，含A1贝氏体钢的耐
磨性能明显高于普通高锰钢 。另外，GRAJCAR
等【l J通过对一种A1代Si的TRIP钢(相变诱发塑性)
的不同冷却方式的研究发现，Al可以增加钢中残余
奥氏体的稳定性，并且不同的冷却方式对贝氏体铁
素体及残余奥氏体体积分数影响很大。因此，含Al
贝氏体钢是一种制造铁路辙叉的理想材料。通过改
变热加工工艺来提高贝氏体钢辙叉材料的性能也是
一种经济有效的方法，有研究发现在一种高强度钢
中，分别在较高温度下等温淬火和较低温度下等温
淬火的两阶冷却方式可以使得组织避免出现较大块
的残余奥氏体组织，与其他任何单一温度下等温淬
火所形成的组织相比，这种两阶冷却方式下所产生
的贝氏体铁素体板条及残余奥氏体更有益于力学性
能【l 。连续冷却可以使贝氏体孕育期增长，使等温
转变图向右下方移动，而在连续冷却的过程中，加
快冷却速度可以使组织中贝氏体铁素体细化程度增
大，质量分数增加，板条中的位错密度增加，从而导
致塑性下降，强度增加Llo。¨J。所以为了辙叉用贝氏体
钢具有最佳的强韧性配合，研究其在不同温度区间的
冷却方式和冷却速度对最终组织及性能的影响十分
重要。本文通过对一种辙又用含Al贝氏体钢分别在
高温、中温和低温区间，以不同的冷却方式和冷却速
度进行热处理，研究其组织构成和力学性能差异，优
化出最佳的含Al贝氏体钢热处理工艺，同时，研究
了如何在实际应用中实现这种热处理工艺。
1 试验方法
选取的试验用钢化学成分(质量分数)如表1所
示。将铸造完成的试验用钢分别锻造成断面尺寸为
25 mmx25 mm及130 mmx 180 mm(接近实际铁路辙
又截面)两种试样。使用Gleeble-3500测得该钢的马
氏体转变开始温度(M。)为31O℃。本研究模拟了实
际铁路辙叉的热处理工艺，也就是利用断面尺寸接
近实际辙叉断面尺寸的大块试样进行了热处理试验
研究。
表1 试验用钢化学成分 ％
元素 C Si Mn Cr A1
质量分数0 34
P
质量分数 O．84 O．Ol O．O2 O．001 8 O．005 O．007
表2给出了试验用贝氏体钢的热处理工艺条
件，首先将试样加热到920℃保温1 h进行奥氏体
化处理，然后按照A1～A9的不同冷却方式冷却。
为了提高残余奥氏体稳定性，增加贝氏体钢强韧性，
所有试样又进行了320℃保温1 h的回火处理。选
择的热处理工艺目的是研究贝氏体钢在高温、中温、
低温区间冷却方式和冷却速度对其组织和性能的影
响。经过上述热处理的试样，对其力学性能进行了
测定，包括硬度、拉伸和冲击。拉伸试验采用厚度
为3 mm、宽度为10 mm 的板状拉伸试样，其标距
为25 mE，拉伸变形速度为0．034 mm／s。冲击试验
采用标准的夏比u型缺口试样，尺寸为10 mmx10
mmx55 mm。采用Axiovert 200 Mat型数字金相显
微镜观察各种热处理工艺之后的金相组织，所用腐
蚀剂为2％硝酸酒精。采用x 射线衍射仪(X—ray
diffraction，XRD)~0定残余奥氏体体积分数及残余
奥氏体中碳的质量分数，XRD试验测试时，x射线
扫描速度为2。／min。对于残余奥氏体体积分数的
计算采用了奥氏体相的200、220和311衍射峰以及
铁素体相的200和211衍射峰数据，残余奥氏体体
积分数的计算公式为
= 嘉 ／【 喜苦+ 荟簧j
式中， 为钢中奥氏体相的体积分数；n为计算用
的相应衍射峰数目，a代表铁索体，，．代表残余奥氏
体， 为衍射峰积分强度，尺为材料散射因子，其大
小为
R： FzP eXpf一2 1
V sin0sin20 、
式中，妫衍射角， 为单胞体积，F为结构因子，
尸为多重性因子，exp(-2M)为温度因子。
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2014年2月 曹栋等：辙叉用贝氏体钢热处理工艺研究 49
表2 试验用贝氏体钢热处理工艺
工艺代号 冷却方式
A1 直接空冷至室温
空冷至500℃ 后，以0．08℃／s速度缓冷1 h，随后空冷
～ 至室温
空冷至500℃后， 以0．1℃／s速度缓冷1 h，随后空冷
⋯ 至室温
A4 以1．4℃／s快冷至500℃ ，随后空冷至室温
以1．4℃／s快冷至500℃，随后以O 08℃／s的速度缓
⋯ 冷1 h， 随后空冷至室温
以1．4 ℃／s快冷至500℃，随后以0．1℃／s的速度缓冷
A6
1 h，随后空冷至室温
以1，7℃／s快冷至400℃ ，随后以0．04℃／s的速度缓
⋯ 冷1 h，随后空冷至室温
以1．7℃／s快冷至400℃ ，随后以0．03℃／s的速度缓
A8 冷1 h
， 随后空冷至室温
A9 330℃盐浴中等温1 h，随后空冷至室温
利用TEM一2010透射电镜对贝氏体微观组织进
行观察，样品采用TenuPol一5型双喷电解减薄仪双
喷制备，双喷所用电解抛光液为7％高氯酸+93％冰
醋酸溶液，电解抛光工作电压为28 V。
利用镍铬镍硅热电偶测定模拟实际辙叉尺寸
试样的冷却曲线，试样尺寸为200 i-nn]x130 nllTlX180
mm 的方坯。为了测试其冷却曲线，分别在距试样
表面20 mn'l和90 turn位置加工直径为412 rnl／1、深
为30 mm 的小孔，用于设置热电偶。
2 试验结果及分析
表3给出了试验用贝氏体钢经不同热处理工艺
处理后的力学性能及残余奥氏体体积分数。首先对
直接空冷(A1)、贝氏体转变温度Bs之前快冷后空冷
(A4)以及等温淬火(A9)这三种工艺的组织及性能分
析，可以看出：A9工艺具有最佳的综合力学性能，
同时，在Bs温度之前快冷之后的A4工艺抗拉强度
较A1工艺更高，同时冲击韧度也有所增加。
表3 试验用钢经各种热处理工艺处理后力学性能及残余奥氏体体积分数
工艺 硬度HRC 冲击韧
flJT／Icm
伸长率 断面收缩率 屈服强度／ 抗拉强度／ 残余奥氏体体积分数
(％) (％) MPa MPa (％)
12．7 31．1 1 218 1 622 9．5
9．5 21．2 1 144 l 555 10．2
l1．8 3O．6 1 l83 l 577 l2．2
l2．9 26．1 1 437 l 788 l1．7
l2．0 25．6 1 083 l 533 l1．8
14．9 33．9 1 l32 1 532 17．0
17．6 36．5 1 059 l 520 18．7
12．O l6．2 906 1 467 16．9
18．1 36．1 l l62 1 598 8．9
残余奥氏体中碳质量分数
(％)
49．9
48．6
48．6
51．7
46．9
47．5
46．4
45．2
49．2
图1所示为贝氏体钢在不同热处理工艺条件下
的XRD 图谱，可以看出，辙叉用贝氏体钢经过各
种热处理工艺处理后，都为铁素体和奥氏体两类衍
射峰。但A4工艺残余奥氏体体积分数较Al工艺有
所提高，A9工艺残余奥氏体体积分数最少，见表3。
图2给出了贝氏体钢在经过不同热处理工艺处理之
后的金相及透射电镜组织，可以看出，Al、A4、
A9工艺下得到的组织形貌明显不同，A1工艺的组
织多为板条状；A4工艺的组织呈片状；A9工艺的
组织呈针叶状。而从微观组织分析结果可以看出，
贝氏体钢组织均由贝氏体铁素体板条及板条间残余
奥氏体构成，其中亮色条状为贝氏体铁素体，暗色
的为残余奥氏体。统计可知，A1、A4、A9工艺贝
氏体铁素体板条厚度分别215 nm、184 nii1和160
nm，可见，A9工艺处理的贝氏体钢中贝氏体铁素
体板条厚度最小。
由于A1工艺是在Bs温度之前冷却速度过慢，
魁
骥
1 0a
A9 = 富 萤 鸯 耋蚕 耋
A8
A7
A6
A5
A4
A3 ^
A2
A1
20 4O 60 80 100 120
衍射角20f。)
图1 贝氏体钢经不同热处理工艺处理后的XRD 图谱
所以在冷却过程中，贝氏体相变在较高的温度下发
生，有较多的上贝氏体组织形成，导致各项性能较
差。而加快冷速之后的A4工艺处理后，残余奥氏
体体积分数有所提高，说明加快冷却速度可以防止
舳踮 ％
O O 1 O O O O O O
∞ "
舵 斛 能
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52 机械工程学报 第50卷第4期
喷雾达不到所需冷却速度，浇水虽然可以达到所需
冷速，但是浇水过程极不容易控制，而油冷不仅能
够达到所需的冷速，且容易在实际生产中实现。所
以实际辙叉最合适的高温区间快速冷却方式为
油淬。
4 结论
(1)辙叉用含铝贝氏体钢经过等温盐浴淬火处
理，具有最细的贝氏体铁素体组织和最佳的综合力
学性能。
(2)根据等温淬火工艺特点，设计出在Bs温度
以上快冷、Bs～Ms温度区间缓冷、Ms温度以下空
冷的贝氏体钢辙叉的三阶冷却热处理工艺，并且当
快冷速度约为1．7~C／s，缓冷速度约为0．04~C／s时
得到的贝氏体钢的组织形貌和力学性能与等温盐浴
淬火热处理工艺获得的结果相近。
(3)油冷是实际辙叉在高温区快速冷却的最佳
方式，且容易在实际生产中实现。
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