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摘 要： 摘要: 采用光學顯微鏡、掃描電鏡、硬度計、沖擊試驗機、萬能拉伸試驗機研究了 U75V 重軌鋼軋態及淬火冷速為 3 ℃ /s 和 5 ℃ /s 條件下的微觀組織、力學性能及斷口形貌。結果表明: 隨著淬火冷速的增加，U75V 鋼的晶粒逐漸細化，珠光體片層間距減小，其中，軋態 U75V 鋼
摘要: 采用光學顯微鏡、掃描電鏡、硬度計、沖擊試驗機、萬能拉伸試驗機研究了 U75V 重軌鋼軋態及淬火冷速為 3 ℃ /s 和 5 ℃ /s 條件下的微觀組織、力學性能及斷口形貌。結果表明: 隨著淬火冷速的增加，U75V 鋼的晶粒逐漸細化，珠光體片層間距減小，其中，軋態 U75V 鋼的晶粒和片層間距最大，而 5 ℃ /s 淬火冷速的 U75V 鋼晶粒和片層間距最小; 隨著淬火冷速的增加，U75V 鋼的沖擊吸收能量、硬度等綜合力學性能增加。其中，軋態 U75V 鋼軌的沖擊吸收能量、硬度及抗拉強度最小，而 5 ℃ /s 淬火冷速的 U75V 鋼沖擊吸收能量、硬度最優且抗拉強度較好。
關鍵詞: U75V 重軌鋼; 淬火; 組織; 力學性能
U75V 重軌鋼是當前應用較廣泛的鋼軌之一，其力學性能的好壞直接影響列車的行駛安全[1]。通過優化淬火工藝得到細片狀珠光體組織已被證實是提高鋼軌力學性能的有效途徑，近幾年成為一個研究熱點。董華利[2]認為 U78CrV 鋼軌進行在線熱處理后具有較好的綜合性能。李闖[3]通過對 U75V 鋼軌熱處理工藝的研究，認為在線熱處理可提高 U75V 鋼軌的硬度。劉懿樂等[4]采用在線連續冷卻的熱處理工藝對 U75V 鋼軌組織和性能進行了研究，發現在線連續冷卻熱處理工藝可以細化珠光體片層間距，從而提高鋼軌性能。李波等[5]采用余熱淬火工藝對 U75V 鋼軌進行了性能的優化改善。黃進科等[6]還模擬研究了不同溫度范圍的余熱淬火溫度場，并確定了鋼軌不同部位的最佳冷速范圍。王曉麗等[7]通過改變軋制工藝來減小鋼軌中珠光體片層間距的大小，從而提高鋼軌的力學性能。
為了揭示淬火冷速對 U75V 重軌鋼組織、片層間距與沖擊性能/拉伸性能的影響，本文研究了 U75V 重軌鋼在不同冷速熱處理后的組織，以及組織的演變對其力學性能的影響。圖 2 不同冷速下 U75V 鋼的顯微組織 ( a) 軋態; ( b) 3 ℃ /s 淬火冷卻; ( c) 5 ℃ /s 淬火冷卻 Fig. 2 Microstructure of the U75V steel at different cooling rates ( a) as rolled; ( b) quenched at 3 ℃ /s; ( c) quenched at 5 ℃ /s
1 試驗材料及方法
試驗材料為 U75V 重軌鋼，成分如表 1 所示，共 3 種試樣如表2 所示，一種為軋態( 某軌梁廠軋制后 900 ℃ 在線緩慢冷卻) ，另外兩種是在實驗室加熱到 900 ℃，然后以 3 ℃ /s 和 5 ℃ /s 的冷速進行噴氣淬火，淬火過程中采用 FLIR T610 紅外溫度測試儀進行溫度檢測和采集[8-9]。在軌頭線切割取樣，其中沖擊試樣尺寸如圖 1( a) 所示，拉伸試樣尺寸如圖 1( b) 所示。采用下臂擺錘沖擊試驗機對 3 種試樣進行沖擊。采 用 GNT200 電子式萬能試驗機測試拉伸性能，設定萬能試驗機拉伸速度為0. 6 mm /min，初載為500 N，通過對比拉伸得到的抗拉強度值，分析不同冷速對 U75V 鋼軌性能的影響。采用蔡司光學顯微鏡觀察組織，采用QUANTA-400 型掃描電鏡觀察試樣片層間距，最后采用 HV-30 硬度計測量硬度。
2 試驗結果分析與討論
2. 1 微觀組織分析
圖 2 是不同冷速條件下，U75V 重軌鋼的微觀組織，由圖 2 可以觀察到在同等放大倍數下，經過不同冷速淬火的試樣的晶粒遠比軋態試樣組織細小。其中， 5 ℃ /s冷速下，淬火試樣晶粒最細小。圖 3 是不同冷速下的掃描電鏡結果，可以看出，經過淬火處理的試樣珠光體片層間距比軋態試樣片層間距小。由于珠光體的裂紋擴展形式主要以穿晶斷裂為主[10-12]，且裂紋的擴展需要能量，密集的晶界以及片層間距小的珠光體片層會增加裂紋擴展的能量，從而使試樣更難形成裂紋。5 ℃ /s 冷速試樣珠光體片層間距最小，且相同放大倍數下珠光體片層有不同的走向。當試樣受到沖擊時，片層間距不同的珠光體對試樣的抗沖擊性能起到重要作用。試樣珠光體間距小，使其變形、斷裂的能量就會增加，試樣也更難產生形變和裂紋。因此，經淬火處理后，U75V 重軌鋼的力學性能得到提高。圖 4 不同冷速下 U75V 鋼的沖擊斷口形貌 ( a) 軋態; ( b) 3 ℃ /s 淬火冷卻; ( c) 5 ℃ /s 淬火冷卻 Fig. 4 Impact fracture morphologies of the U75V steel at different cooling rates ( a) as rolled; ( b) quenched at 3 ℃ /s; ( c) quenched at 5 ℃ /s
2. 2 性能分析
沖擊試驗結果如表 3 所示。由表 3 可知，經 5 ℃ /s 冷速淬火處理試樣的抗沖擊性能遠超其它兩種試樣，其中軋態試樣抗沖擊性能最低，3 ℃ /s 冷速淬火處理的試樣居中。可見，隨著淬火冷速的加快，沖擊吸收能量增加。沖擊斷口形貌如圖 4 所示，相比于其他兩種熱處理試樣，5 ℃ /s 冷速淬火試樣的斷面更加平整，且擴展區面積最大。
由表 3 還可見，隨淬火冷速的增加，U75V 鋼的硬度增大，軋態硬度僅為 281 HV3，而經過 5 ℃ /s 冷速淬火處理試樣的硬度達到 348 HV3，硬度最高，說明淬火工藝可以顯著提高鋼軌的表面硬度。
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3 種淬火冷速條件下，U75V 鋼的拉伸位移曲線如圖 5 所示。由圖 5 可知，經 5 ℃ /s 冷速淬火處理的試樣拉伸位移最長，且擁有較高的抗拉強度，并且抗拉強度與3 ℃ /s 淬火處理的試樣相近，而經過 3 ℃ /s冷速淬火處理試樣的拉伸位移遠沒有 5 ℃ /s 淬火處理的試樣長。三者中，軋態拉伸試樣表現的抗拉力學性能不及其他兩種拉伸試樣。由此可以推斷，淬火對 U75V 鋼的力學性能有顯著影響，且 5 ℃ /s 冷速淬火處理試樣的綜合力學性能最優。
3 結論
1) 隨著淬火冷速的增加，U75V 鋼的組織更加細化，U75V 鋼中珠光體片層間距減小，其中，軋態 U75V 鋼軌的組織和片層間距最大，而 5 ℃ /s 淬火冷速處理 U75V 鋼的組織和片層間距最小。
2) 隨著淬火冷速的增加，U75V 鋼的沖擊吸收能量、硬度及抗拉強度增加。其中，軋態 U75V 鋼的沖擊吸收能量、硬度及抗拉強度最小，而 5 ℃ /s 淬火冷速處理 U75V 鋼的沖擊吸收能量、硬度及抗拉強度最優。——論文作者：馬 瀟，岑耀東，陳 林，吳茂文
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