奥氏体化状态和钒对珠光体型钢轨钢韧性的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.009 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 奥氏体化状态和钒对珠光体型钢轨钢 韧性的影响* 朱晓东)李承基)章守华)邹明2)苏世怀2) 1)北京科技大学材料科学与工程系，北京1000832)攀枝花钢铁（集团）公司，攀枝花 摘要以重轨钢PD2和PD3为对象，重点研究了热轧态和重新热处理状态珠光体的韧性.研究结 果表明，奥氏体状态（晶粒大小、成分均匀化及碳化物溶人或析出程度等）及珠光体的形态和片层 间距是影响珠光体冲击韧性的主要组织因素，奥氏体晶粒的细化、珠光体片层的细化、奥氏体成 分的均匀化及强碳化物形成元素在奥氏体状态的固溶化是珠光体钢韧化的基本途径. 关键词钢轨钢，珠光体，冲击韧性 中图分类号TG113.25 通过对现代铁路用轨60kgm级重轨的研究及使用，认为细片状珠光体是重轨钢的最佳 显微组织，片状珠光体的力学性能与珠光体的组织结构有密切的关系1~)，影响片状珠光 体屈服强度和断裂强度的主要因素是珠光体的片间距，它们之间的关系可用Hall-Petch公 式来表达.影响片状珠光体塑性的主要因素是原始奥氏体晶粒大小和珠光体的片层间距.珠 光体韧化的传统理论认为4，在珠光体片层间距相近的条件下，奥氏体晶粒大小是决定片状 珠光体冲击韧性的主要因素.提高重轨的强度和韧性，是提高钢轨使用寿命的基础.轧后余热 控冷处理钢轨的能耗小，成本低，可获得细的珠光体片层，保证了高的强度水平，但保留了热 轧后较粗奥氏体晶粒状态.按传统的理论，奥氏体晶粒的粗化将导致韧性的降低.但是，实际 上奥氏体晶粒大小对钢轨的塑性及冲击韧性的影响，并没有很明显的规律.因此，奥氏体晶粒 大小是否是影响珠光体韧性的决定性因素，影响的权重有多大，是值得研究的问题， 1实验方案 试样取自转炉冶炼的PD2,PD3热轧态成品钢轨，化学成分如表1所示.用轨头部加工成 10mm×10mm×55mm冲击试样及金相试样后，分别在800,850,900和950℃奥氏体化， 然后空冷到约600℃后，放入500℃的箱式电炉内保温15mi,完成珠光体的转变，以此模拟 热轧态的冷却工艺并获得尽可能同样的珠光体片层间距，然后精磨并开成U型缺口，在电动 冲击试验机上冲断，室温为25℃.在S-250MKS型扫描电镜上观察冲击试样断口，并制成 金相样品，经3%硝酸酒精溶液浸蚀后，用8000倍的足够数量视场的扫描电镜照片测定珠光 1996-09-20收稿第一作者男30岁博士研究生 ◆国家经贸委重点科技开发项目

8 第 卷 第 期 1 6 9 9 2 年 月 1 1 6 北 京 科 技 大 学 学 报 J a u r n o l U o f n i v r s e i yt o f S e i a n n e e c T d h o . e e l o y g B 小 n e g l o V 一 N 8 0 1 . 6 D e c . 9 9 1 6 奥 氏体化状态和钒 对珠光体型 钢轨钢 韧性 的影 响 * 朱晓 东 ’ ) ) ) 李承基 l 章守华 l ) l北京科技大学材料科学 与工 程系 , 北京 10 0 0 8 3 邹 明 2 ) 苏世怀2) 2) 攀枝 花钢铁 ( 集 团) 公司 , 攀枝花 摘要 以 重轨钢 PD Z 和 P D 3 为对象 , 重点研究 了热轧态和重新热处理状态珠光体的韧性 . 研究 结 果表明 , 奥氏 体状态 (晶粒大小 、 成分均匀化及碳 化物溶人或析 出程度等 ) 及珠 光体的形态和片层 间距是影 响珠光体 冲击韧性 的主要组 织 因素 . 奥 氏体 晶粒的细化 、 珠光 体片层 的细 化 、 奥 氏体成 分 的均匀化 及强碳化物形成元素在奥 氏体状态 的固溶化是珠光体钢韧化的基本途径 . 关键 词 钢 轨钢 , 珠光体 , 冲击韧性 中图分 类号 T G l l 3 . 2 5 通过 对现 代 铁 路用 轨 60 k g m/ 级 重 轨 的研究 及使 用 , 认 为细 片状 珠 光体 是 重轨 钢 的最佳 显 微 组织 川 . 片 状珠 光 体的 力学 性 能 与珠 光 体 的 组织 结 构有 密 切 的 关系 l[ 一 ’ 1 . 影 响 片状珠光 体屈服 强 度 和断 裂 强度 的主要 因素是 珠 光体 的片 间距 , 它 们之 间 的关 系可 用 H al 一 eP ct h 公 式来表达 . 影 响 片状珠 光体塑 性 的 主要 因 素是 原 始奥 氏体晶粒 大小 和 珠 光体 的片层 间距 . 珠 光 体韧化 的传统 理论认 为脚 ] , 在珠 光 体片层 间距相近 的条件 下 , 奥 氏体晶粒 大 小是 决定 片状 珠 光体冲击 韧性 的主要 因素 . 提 高重 轨的强 度和 韧性 , 是 提高 钢轨 使用寿命 的基础 . 轧后 余热 控 冷处理 钢 轨 的能 耗 小 , 成 本 低 , 可 获得 细 的珠 光 体片层 , 保证 了 高 的强度 水平 , 但保 留了热 轧后 较粗奥 氏体晶 粒状 态 . 按 传统 的理 论 , 奥氏体晶 粒 的粗 化 将导 致 韧性 的 降低 . 但是 , 实际 上 奥 氏体晶粒大 小 对钢 轨 的塑性 及 冲击 韧性 的 影响 , 并没 有很 明显 的规律 . 因此 , 奥 氏体晶粒 大 小是 否是 影 响珠 光体韧性 的决 定性 因素 , 影 响 的权重 有 多大 , 是值得研 究 的 问题 . 1 实验方案 试样 取 自 `转 炉 冶炼 的 P D Z , P D 3 热 轧态 成 品钢 轨 , 化 学成 分 如表 l 所示 . 用 轨 头部 加工 成 10 In r n x 10 r n们n x 5 5 r n们几 冲 击试 样及 金相 试样 后 , 分别 在 8 0 0 , 8 5 0 , 9 0 0 和 9 50 oC 奥 氏体化 , 然后 空冷 到约 60 0 ℃后 , 放 人 5 0 ℃ 的箱式 电炉 内保温 巧 m in , 完 成珠 光体 的转变 , 以 此模拟 热轧 态 的冷 却工 艺 并获 得尽 可 能 同样 的珠 光 体片 层 间距 . 然 后精 磨 并 开成 U 型 缺 口 , 在 电动 冲 击 试 验机 上 冲 断 , 室 温 为 25 ℃ . 在 S 一 2 50 M K S 型 扫描 电镜上 观 察冲击 试 样 断 口 , 并 制 成 金 相样 品 , 经 3 % 硝 酸酒 精 溶液 浸蚀 后 , 用 8 0 0 倍的足 够数 量视 场 的扫 描 电镜照 片测 定珠 光 19 9 6 一 0 9 一 2 0 收稿 第一作者 男 3 0岁 博 士研究 生 * 国 家经 贸委重 点科 技开发项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 06. 009

第18 卷 第6 期 1 9 9 6 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s ity o f S e i e n c e a n d T e e h . o l o gy B e 小n g V o l 一 1 8 N 0 . 6 D e c . 1 9 9 6 奥 氏体化状态和钒 对珠光体型 钢轨钢 韧性 的影 响 * 朱晓 东 ’ ) 李承基l) 章守华l) l) 北京科技大学材料科学 与工 程系 , 北京 10 0 0 8 3 邹 明 2 ) 苏世怀2) 2) 攀枝 花钢铁 ( 集 团) 公司 , 攀枝花 摘要 以 重轨钢 PD Z 和 P D 3 为对象 , 重点研究 了热轧态和重新热处理状态珠光体的韧性 . 研究 结 果表明 , 奥氏 体状态 (晶粒大小 、 成分均匀化及碳 化物溶人或析 出程度等 ) 及珠 光体的形态和片层 间距是影 响珠光体 冲击韧性 的主要组 织 因素 . 奥 氏体 晶粒的细化 、 珠光 体片层 的细 化 、 奥 氏体成 分 的均匀化 及强碳化物形成元素在奥 氏体状态 的固溶化是珠光体钢韧化的基本途径 . 关键 词 钢 轨钢 , 珠光体 , 冲击韧性 中图分 类号 T G l l 3 . 2 5 通过 对现 代 铁 路用 轨 60 k g m/ 级 重 轨 的研究 及使 用 , 认 为细 片状 珠 光体 是 重轨 钢 的最佳 显 微 组织 川 . 片 状珠 光 体的 力学 性 能 与珠 光 体 的 组织 结 构有 密 切 的 关系 l[ 一 ’ 1 . 影 响 片状珠光 体屈服 强 度 和断 裂 强度 的主要 因素是 珠 光体 的片 间距 , 它 们之 间 的关 系可 用 H al 一 eP ct h 公 式来表达 . 影 响 片状珠 光体塑 性 的 主要 因 素是 原 始奥 氏体晶粒 大小 和 珠 光体 的片层 间距 . 珠 光 体韧化 的传统 理论认 为脚 ] , 在珠 光 体片层 间距相近 的条件 下 , 奥 氏体晶粒 大 小是 决定 片状 珠 光体冲击 韧性 的主要 因素 . 提 高重 轨的强 度和 韧性 , 是 提高 钢轨 使用寿命 的基础 . 轧后 余热 控 冷处理 钢 轨 的能 耗 小 , 成 本 低 , 可 获得 细 的珠 光 体片层 , 保证 了 高 的强度 水平 , 但保 留了热 轧后 较粗奥 氏体晶 粒状 态 . 按 传统 的理 论 , 奥氏体晶 粒 的粗 化 将导 致 韧性 的 降低 . 但是 , 实际 上 奥 氏体晶粒大 小 对钢 轨 的塑性 及 冲击 韧性 的 影响 , 并没 有很 明显 的规律 . 因此 , 奥 氏体晶粒 大 小是 否是 影 响珠 光体韧性 的决 定性 因素 , 影 响 的权重 有 多大 , 是值得研 究 的 问题 . 1 实验方案 试样 取 自 `转 炉 冶炼 的 P D Z , P D 3 热 轧态 成 品钢 轨 , 化 学成 分 如表 l 所示 . 用 轨 头部 加工 成 10 In r n x 10 r n们n x 5 5 r n们几 冲 击试 样及 金相 试样 后 , 分别 在 8 0 0 , 8 5 0 , 9 0 0 和 9 50 oC 奥 氏体化 , 然后 空冷 到约 60 0 ℃后 , 放 人 5 0 ℃ 的箱式 电炉 内保温 巧 m in , 完 成珠 光体 的转变 , 以 此模拟 热轧 态 的冷 却工 艺 并获 得尽 可 能 同样 的珠 光 体片 层 间距 . 然 后精 磨 并 开成 U 型 缺 口 , 在 电动 冲 击 试 验机 上 冲 断 , 室 温 为 25 ℃ . 在 S 一 2 50 M K S 型 扫描 电镜上 观 察冲击 试 样 断 口 , 并 制 成 金 相样 品 , 经 3 % 硝 酸酒 精 溶液 浸蚀 后 , 用 8 0 0 倍的足 够数 量视 场 的扫 描 电镜照 片测 定珠 光 19 9 6 一 0 9 一 2 0 收稿 第一作者 男 3 0岁 博 士研究 生 * 国 家经 贸委重 点科 技开发项 目

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第 18 卷 第 6期 19 9 6年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S e i e n c e a n d T e e h . o l o yg B e小 n g V o l 一 1 8 N 0 . 6 D e c . 1 9 9 6 奥 氏体化状态和钒 对珠光体型 钢轨钢 韧性 的影 响 * 朱晓 东 ’ ) 李承基 )l 章守华 )l )l 北京科技大学材料科学 与工 程系 , 北京 10 0 0 8 3 邹 明 2 ) 苏世怀2) 2) 攀枝 花钢铁 ( 集 团) 公司 , 攀枝花 摘要 以 重轨钢 PD Z 和 P D 3 为对象 , 重点研究 了热轧态和重新热处理状态珠光体的韧性 . 研究 结 果表明 , 奥氏 体状态 (晶粒大小 、 成分均匀化及碳 化物溶人或析 出程度等 ) 及珠 光体的形态和片层 间距是影 响珠光体 冲击韧性 的主要组 织 因素 . 奥 氏体 晶粒的细化 、 珠光 体片层 的细 化 、 奥 氏体成 分 的均匀化 及强碳化物形成元素在奥 氏体状态 的固溶化是珠光体钢韧化的基本途径 . 关键 词 钢 轨钢 , 珠光体 , 冲击韧性 中图分 类号 T G l l 3 . 2 5 通过 对现 代 铁 路用 轨 60 k g m/ 级 重 轨 的研究 及使 用 , 认 为细 片状 珠 光体 是 重轨 钢 的最佳 显 微 组织 川 . 片 状珠 光 体的 力学 性 能 与珠 光 体 的 组织 结 构有 密 切 的 关系 l[ 一 ’ 1 . 影 响 片状珠光 体屈服 强 度 和断 裂 强度 的主要 因素是 珠 光体 的片 间距 , 它 们之 间 的关 系可 用 H al 一 eP ct h 公 式来表达 . 影 响 片状珠 光体塑 性 的 主要 因 素是 原 始奥 氏体晶粒 大小 和 珠 光体 的片层 间距 . 珠 光 体韧化 的传统 理论认 为脚 ] , 在珠 光 体片层 间距相近 的条件 下 , 奥 氏体晶粒 大 小是 决定 片状 珠 光体冲击 韧性 的主要 因素 . 提 高重 轨的强 度和 韧性 , 是 提高 钢轨 使用寿命 的基础 . 轧后 余热 控 冷处理 钢 轨 的能 耗 小 , 成 本 低 , 可 获得 细 的珠 光 体片层 , 保证 了 高 的强度 水平 , 但保 留了热 轧后 较粗奥 氏体晶 粒状 态 . 按 传统 的理 论 , 奥氏体晶 粒 的粗 化 将导 致 韧性 的 降低 . 但是 , 实际 上 奥 氏体晶粒大 小 对钢 轨 的塑性 及 冲击 韧性 的 影响 , 并没 有很 明显 的规律 . 因此 , 奥 氏体晶粒 大 小是 否是 影 响珠 光体韧性 的决 定性 因素 , 影 响 的权重 有 多大 , 是值得研 究 的 问题 . 1 实验方案 试样 取 自 `转 炉 冶炼 的 P D Z , P D 3 热 轧态 成 品钢 轨 , 化 学成 分 如表 l 所示 . 用 轨 头部 加工 成 10 In r n x 10 r n们n x 5 5 r n们几 冲 击试 样及 金相 试样 后 , 分别 在 8 0 0 , 8 5 0 , 9 0 0 和 9 50 oC 奥 氏体化 , 然后 空冷 到约 60 0 ℃后 , 放 人 5 0 ℃ 的箱式 电炉 内保温 巧 m in , 完 成珠 光体 的转变 , 以 此模拟 热轧 态 的冷 却工 艺 并获 得尽 可 能 同样 的珠 光 体片 层 间距 . 然 后精 磨 并 开成 U 型 缺 口 , 在 电动 冲 击 试 验机 上 冲 断 , 室 温 为 25 ℃ . 在 S 一 2 50 M K S 型 扫描 电镜上 观 察冲击 试 样 断 口 , 并 制 成 金 相样 品 , 经 3 % 硝 酸酒 精 溶液 浸蚀 后 , 用 8 0 0 倍的足 够数 量视 场 的扫 描 电镜照 片测 定珠 光 19 9 6 一 0 9 一 2 0 收稿 第一作者 男 3 0岁 博 士研究 生 * 国 家经 贸委重 点科 技开发项 目

Vol.18 No.6 朱晓东等：奥氏体化状态和钒对珠光体型钢轨钢韧性的影响 ·535· 3讨论 片状珠光体韧化的传统理论认为2引，冲击韧性主要取决于奥氏体晶粒大小.但是，实验 结果表明，珠光体的冲击韧性不仅与奥氏体晶粒大小有关，而且与珠光体片层间距、奥氏体成 分的均匀化程度有关.因此，提高片状珠光体韧化有下列基本途径. 3.1细化奥氏体晶粒 奥氏体晶粒大小对片状珠光体冲击韧性的影响，主要是通过对片状珠光体的组织形态的 影响而实现的4，).对于粗晶奥氏体（如PD2和PD3热轧态），可形成数个由珠光体领域组成的 珠光体团，团内相邻领域之间的取向差较小，领域间界属小角度晶界.因而对裂纹扩展的阻力 较小，韧性较低.当奥氏体晶粒细化时（如重新热处理状态），珠光体的组织形态，由“团”和“领 域”二级组合形态逐步地转变为直接由许多个“领域”组成的一级组合形态，相邻领域之间的 取向差较大。因而增加了裂纹扩展的阻力，提高了韧性.显微组织及断口观察符合上述分析， 见图2. 3.2细化珠光体片层 传统的片状珠光体韧化理论虽然没有排除片层粗细对韧性的影响，但这方面的研究表 明，珠光体的韧性与片间距的关系不明显，数据的离散性较大，难以象对强度的影响那样，用 Hall-Petch关系定量的描述.对于PD2钢，在800~900℃之间，奥氏体晶粒有微弱的粗化， 但韧性的反而上升，这种情况只能归因于珠光体片间距的影响了.事实上，珠光体片层间距及 冲击韧性具有较好的对应关系（图1）.结合文献[7,8]的有关数据可回归成冲击韧性值与珠 光体片层平均间距倒数的对数的线性关系（图6），即： a=0.55+38.21ogS-1±9.0 (1) 上式中的a为冲击韧性(/cm),S为珠光体片层平均间距（μm).可见，尽管的数据的离散程 度较大，但从总的趋势看，细化片间距有利于韧性的提高. 33奥氏体成分的均匀化（包括强碳化物形成元素在奥氏体中的固溶化） PD3钢的冲击韧性随着奥氏 50 体化温度的升高而提高（见图3）， 。引用文献[11] 。引用文默[12] 与奥氏体品粒大小及珠光体片层 40 ·本文实测数据 间距的的变化规律没有明显的对 号30 应关系，而与VC的固溶程度有较 好的对应关系.这表明对于含钒 20 的PD3钢，冲击韧性的提高，不是 10 a-0.55+38.2log(1/S)±9.0 由于奥氏体晶粒及珠光体片层间 距的变化，可能与VC的溶解及奥 3 456789101520 氏体成分的均匀化有关.根据热 S/μml 力学估算，V在奥氏体中的固溶 图6冲击性值与珠光体片层平均间距倒数的对数的关系

V o l . 18 N o . 6 朱晓东等: 奥 氏体化 状态 和钒 对珠 光体 型钢轨 钢韧性 的影响 . 5 3 5 . 3 讨论 片状 珠光 体 韧 化 的传 统 理论 认 为 2[, 3〕 , 冲 击韧 性 主要 取 决 于奥 氏体 晶粒大 小 . 但 是 , 实 验 结果 表 明 , 珠 光体的冲击 韧性 不仅与 奥 氏体晶粒大小 有 关 , 而 且 与珠光 体片层 间距 、 奥 氏体成 分 的均匀 化程 度 有关 . 因此 , 提 高 片状珠 光体 韧化 有下 列基 本途 径 . 3 . 1 细化 奥氏体晶粒 奥 氏体晶粒 大小 对 片状珠 光 体冲 击韧 性 的影 响 , 主要是 通过 对 片状珠 光体的组 织 形态的 影响 而 实现 的附〕 . 对于粗 晶奥 氏体 ( 如 P D Z 和 P D 3 热 轧态) , 可 形成 数个 由珠光 体领 域 组成 的 珠光 体团 , 团 内相 邻领域 之 间的 取 向差较 小 , 领域 间界 属小 角度 晶界 . 因而 对裂 纹扩 展 的阻 力 较小 , 韧 性 较低 . 当奥 氏体晶 粒细 化 时 ( 如重新 热处理状 态) , 珠 光体的组 织形态 , 由 “ 团 ” 和 “ 领 域 ” 二级 组 合 形态逐 步 地转 变 为 直接 由许多 个 “ 领 域 ” 组成 的 一级 组合 形 态 , 相 邻 领 域之 间的 取 向差 较大 。 因而增 加 了裂 纹扩 展 的阻 力 , 提 高 了韧性 . 显 微组 织及 断 口 观察符合上述 分析 , 见 图 2 . .3 2 细 化珠光 体片层 传 统 的片 状珠 光体韧 化 理 论虽然 没 有 排 除 片层 粗 细 对韧 性 的 影 响 , 但 这 方 面 的研究 表 明 , 珠光 体 的韧 性 与 片 间距的 关系 不 明显 , 数据 的离散 性 较 大 , 难 以 象 对强 度 的影 响那 样 , 用 H al l 一 P e ct h 关 系定 量 的描 述 . 对于 P D Z 钢 , 在 8 0 0 一 9 0 0 ℃ 之 间 , 奥 氏体晶粒有 微弱的粗化 , 但韧 性 的反而 上 升 , 这种情 况 只能 归 因于珠 光体 片 间距 的影 响 了 . 事实 上 , 珠光 体片层 间距及 冲击韧性 具有 较好的 对应 关 系 ( 图 l ) . 结合文献 7[ , 8] 的有 关数据可 回 归成 冲击 韧性 值与珠 光体片层 平 均 间距倒 数的对数 的 线性 关系 ( 图 6) , 即 : a k = 0 · 5 5 + 3 8 · 2 1 0 9 5 一 ’ 士 9 · o ( l ) 上式 中的 a 、 为 冲击 韧 性 ( cJ/ m Z ) , S 为 珠光 体片层 平 均 间距 (。m ) · 可 见 , 尽 管 的数据 的离散程 度较 大 , 但从总 的趋 势看 , 细 化片 间距有利于 韧性 的提 高 . 3 .3 奥氏 体成分 的均 匀化 ( 包括 强碳化物 形成元素在奥氏体中的固溶化) no ó 戈 nUO é 4 伟ù、 P D `,且, 3 钢 的冲 击 韧 性 随着 奥 氏 体化 温度 的升高而提 高 ( 见 图 3) , 与 奥 氏体晶粒大 小 及 珠光 体 片层 间距 的 的变 化规律 没 有 明显 的 对 飞 应 关 系 , 而 与 V C 的固溶 程度 有 较 二 好 的 对 应 关 系 . 这 表 明 对 于 含 钒 的 PD 3 钢 , 冲击韧 性 的提高 , 不是 由于 奥 氏体晶粒及 珠 光体 片层 间 距 的变 化 , 可能 与 V C 的溶 解及 奥 氏体 成 分 的均 匀 化 有 关 . 根 据 热 力 学 估 算 , V 在 奥 氏 体 中 的 固 溶 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 5 2 0 s ’ 1 2“ m 一 l 图6 冲击 性值与珠光体 片层平均间距倒数的对数 的关系

·536· 北京科技大学学报 1996年No.6 度，取决于溶解度积公式：log(cvc)=6.72-9500/T,故对于含有0.07%V的PD3钢来说， 在950℃奥氏体化，VC基本上溶入了奥氏体.在热轧温度下，V处于固溶状态，但在轧后空冷 时，将会有一定量的VC析出.方淑芳等的研究表明，经热变形后以0.5℃s的冷速冷却时， 在700,650,600℃和室温时，VC的析出量相应为4.7%，16.0%，34.6%和34.9%.在此冷速下 的珠光体开始转变温度约为675℃，因此估计在奥氏体状态会有10%左右的VC析出，约占 析出总量的1/3.在较低的奥氏体化温度下，未溶的VC较多；而在950℃下奥氏体化时，VC主 要析出在共析铁素体内（如图4(）所示).从沉淀强化原理分析，VC在共析铁素内析出只能起 强化作用，而不能改善韧性.因此，PD3钢的冲击韧性随奥氏体化温度的升高而提高的原因， 只能归因于VC的固溶和析出及其造成的影响. 最近，Anya和Baker发现I1o,Si具有促进珠光体渗碳体粒状化的作用，并且奥氏体化温 度越高就越显著.Edmond等发现，2，在过共析钢中，V具有阻止在奥氏体晶界处形成连续 的网状Fe,C的作用；在共析及过共析钢中，Si和V共同存在时，明显抑制连续的网状Fe,C沿 奥氏体晶界析出，同时还促进在奥氏体晶界处形成一层铁素体薄膜.这种现象在Si-M如过 共析钢中也有发现.Si、V的这种作用对于珠光体钢的韧化，可能有重要意义. 在PD3中，含有0.75%Si和0.07%V,在950℃奥氏体化的珠光体领域边缘有断续的块 状铁素体区域和粒状Fe,C区域，如图4(b,c)所示.由此可以判断，由于PD3中的V随奥氏体 化温度的上升而溶入量增加，在随后的珠光体转变过程中，一方面在共析铁素体中弥散析出 VC,起到强化的作用；另一方面，V将促使原奥氏体晶界处的铁素体薄区的形成.并使F,C呈 粒状析出，延缓珠光体中的片状Fe,C形成，从而提高了韧性.但是，PD3钢与无V低Si的PD2 钢相比（对比图1和图3），无论是在热轧态还是最佳热处理态，冲击韧性均未见有明显的改 善；热轧态的冲击韧性甚至还低于PD2钢.因此，Si、V的作用，并非是简单的叠加，同时存在 时的作用机理是比较复杂的， 4结论 (1)细化奥氏体晶粒，细化珠光体片层间距、奥氏体成分的均匀化和强碳化元素的固溶 化，是片状珠光体韧化的基本途径，重新加热及控冷处理钢轨（离线欠速淬火）比热轧轨的强 度和冲击韧性均有显著提高，其主要原因是由于在奥氏体晶粒和珠光体片层方面均获得显著 细化. (2)在采用轧后余热控冷处理时，由于保留了终轧时的粗大奥氏体晶粒而损害了韧性.但 是，如果正确控制冷却工艺（包括始冷温度、冷却速度、终冷及准恒温保持时间等），保证奥氏 体成分足够均匀，使强碳化物形成元素尽可能处于固溶状态，则可以将奥氏体晶粒粗化对韧 性带来的不良影响降低到最小程度. 参考文献 】李怀明.钢轨钢的滚动接触疲劳及磨损行为的研究：[博士论文].北京科技大学，1991 2愈德刚，谈育煦.钢的组织强度学，上海：上海科技出版社，1983.76一139

. 5 3 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 6年 N o . 6 度 , 取 决于 溶解 度积 公式 [ , ] : 1 0 9 ( e 、 e c ) = 6 · 7 2 一 9 5 0 0 / T , 故 对于 含有 0 · 0 7% V 的 p D 3 钢来 说 , 在 95 0 ℃ 奥 氏体化 , V C 基 本 上溶 人 了奥 氏体 . 在热 轧温 度下 , V 处于 固溶状 态 , 但在 轧后 空冷 时 , 将会有 一 定量 的 v c 析 出 . 方 淑芳 等 的研究 表 明 e[] , 经 热变 形后 以 .0 5 ℃ / s 的冷速 冷却 时 , 在 7 0 , 6 50 , 6 0 0 ℃ 和 室温 时 , V C 的析 出量相 应为 .4 7% , 16 . 0 % , 34 . 6% 和 3 .4 9 % . 在此 冷 速下 的珠光体开始 转 变温 度 约为 6 75 ℃ , 因此估 计在 奥 氏体状 态会有 10 % 左 右 的 V C 析 出 , 约 占 析 出总量 的 l 3/ . 在较 低 的奥 氏体化温度 下 , 未 溶的 V C 较 多 ; 而 在 9 50 ℃下 奥 氏体化 时 , V C 主 要析 出在 共析铁 素体内 ( 如 图 4 (a) 所 示 ) . 从沉 淀强 化原 理分 析 , v C 在 共析 铁素内析出 只能起 强化作用 , 而 不 能改 善韧 性 . 因此 , P D 3 钢 的冲击韧 性 随奥 氏体化温 度 的升 高而 提 高 的原 因 , 只能 归 因于 V C 的固溶和 析 出及其造 成的影 响 . 最 近 , nA y a 和 B ak e : 发现 l0[] , is 具 有 促进珠光体渗碳 体粒状 化 的作用 , 并且奥 氏体化温 度越 高 就越 显 著 . E d m on d 等 发 现〔” , , 2 ] , 在过 共 析钢 中 , V 具 有阻 止 在 奥 氏体晶界 处形成连 续 的 网状 eF 3 C 的作用 ; 在共 析及 过共析钢 中 , is 和 V 共 同存在 时 , 明显 抑制连续的 网状 eF 3C 沿 奥 氏体 晶界 析 出 , 同时 还促进 在 奥 氏体 晶界 处形成 一 层铁 素体薄膜 . 这种 现 象 在 is 一 M n 过 共析 钢 中也有 发现 . 51 、 V 的这种 作 用对于 珠光 体钢 的韧 化 , 可能有 重要 意义 . 在 PD 3 中 , 含有 .0 75 % is 和 .0 07 % V , 在 9 50 ℃ 奥氏体化 的珠光 体领 域边 缘有 断续的块 状铁素体区域和 粒状 eF 3 C 区 域 , 如 图 4 (b , c) 所示 · 由此可 以 判 断 , 由于 PD 3 中的 v 随奥 氏体 化温 度 的上 升 而 溶人 量增 加 , 在 随后 的珠光 体 转 变过 程 中 , 一方 面在 共 析铁 素体 中弥 散析 出 v C, 起到 强化 的作 用 ; 另一方 面 , V 将促使原奥 氏体晶界 处的铁素体薄 区 的形成 , 并使 eF 3C 呈 粒状 析 出 , 延 缓珠 光体 中的片状 eF 3C 形 成 , 从而 提高 了韧 性 · 但 是 , P D 3 钢 与无 V 低 is 的 PD Z 钢相 比 ( 对比 图 1 和 图 3) , 无 论是 在 热 轧态 还是 最 佳 热处理 态 , 冲击 韧 性均 未 见有 明显 的改 善 ; 热 轧态的冲击 韧 性甚 至 还低 于 P D Z 钢 . 因此 , is 、 V 的作 用 , 并 非 是 简单的 叠加 , 同 时存在 时的作用 机理 是 比较复 杂 的 . 4 结论 ( l) 细 化奥 氏体 晶粒 、 细 化 珠 光体 片层 间距 、 奥 氏体成分 的均 匀 化 和 强碳 化 元 素 的 固溶 化 , 是 片状珠光 体韧化 的 基本 途 径 ; 重新 加 热及 控冷处 理钢 轨 ( 离线欠 速淬 火 ) 比 热轧 轨 的强 度 和冲 击韧 性均 有显 著提 高 , 其 主要原 因是 由于 在 奥 氏体晶粒 和 珠光 体片 层方 面均 获得 显著 细化 . (2 )在 采用 轧后余热 控冷 处理 时 , 由于 保留了终 轧 时的粗 大奥 氏体晶 粒而 损害 了韧性 . 但 是 , 如 果正 确控 制冷却工 艺 ( 包括始冷温度 、 冷却速度 、 终冷及 准恒 温 保持时 间等) , 保证奥 氏 体 成分足 够均 匀 , 使 强碳 化 物 形成 元 素尽 可 能处于 固溶 状态 , 则 可 以 将 奥 氏体晶粒 粗化对 韧 性 带来 的不 良影 响 降低到 最小 程度 . 参 考 文 献 l 李怀 明 . 钢轨钢的 滚动接触疲劳及磨损行为的 研究:[ 博士 论文] . 北京科技大学 , 1 9 91 2 愈德刚 , 谈 育煦 . 钢 的组织强度学 . 上海 : 上 海科 技出版社 , 1 9 83 . 76 一 1 39

Vol.18 No.6 朱晓东等：奥氏体化状态和钒对珠光体型钢轨钢韧性的影响 ·537· 3 Marder A R.Phase Transformations in Ferrous Alloys.Warrendale:Metall Soc AIME,1985.11 4 Pickering F B,Garbarz B.The Effect of Transformation Temperature and Prior Austenite Grain Size on the Pearlite Colony Size in Vanadium Treated Pearlite Steels.Scri Metall,1987,21:249~ 253 5 Garbarz B,Pickering F B.Effect of Pearlite Morphology on Impact Toughness of Eutectoid Steel Containing Vanadium.Mater Sci Tech,1988,4:328~334 6方淑芳，柯晓涛，张键，李兴蓉，张志新.PD,钢热轧工艺模拟研究.钢铁钒钛，1991,12(1)：52~61 7苏世怀.在线热处理工艺模拟试验研究：[硕士论文].北京科技大学，1993 8王树青，周清跃，周镇国.钢轨全长淬火后的力学性能与使用效果的关系研究.机械工程材料，1994， 18(6):24~30 9石霖.合金力学.北京：机核工业出版社.1992.400~401 10 Anya C C,Baker T N.Effect of Si on Microstructure and Some Mechanical Properties of Law Carbon Steels.Mater Sci Tech,1990,6:554~561 11 Khalid F A,Edmonds D V.Effect of Vanadium on the Grain Boundary Carbide Nucleation of Pearlite in High-carbon Steels.Scri Metall Mater,1994,30:1251 ~1255 12 Han K,Smith G D W,Edmonds D V.Pearlite Phase Transformation in Si and V Steels.Metall Mater Trans A,1995,26A:1617 ~1631 Influence of Austenizing Condition and Vanadium on the Impact Toughness of Pearlitic Rail Steels Zhu Xiaodong Li Chengji)Zhang Shouhua)Zou Ming?)Su Shihuai) 1)Department of Material Sciences and Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Panzhihua Iron and Steel (Group)Company ABSTRACT Heavy rail steels,PD2 and PD3,are chosen for the investigation of the impact tougness in as-rolled and reheated state.The results show that the condition of austenite (austenite grain size,homogeneity of chemical contents as well as dissolution and precipitation of carbides),the morphorlogy of pearlite and the interlamellar spacing are the three main structure factors influencing the toughness of pearlite.A basic plan for the toughening of pearlite rail steels is presented,which includes refinement of austenite grain and pearlite interlamellar spacing,homogenization of austenite content and complete dissolution of strong carbide forming elements in the austenite. KEY WORDS rail steels,pearlite,impact toughness

V o l . 1 8 N 0 . 6 朱 晓东等 : 奥氏体化状态和钒对珠光体型钢轨钢韧性 的影响 53 7 3 M a r d e r A R . P h as e T r a n s fo mr at i o n s in F e mr u s A ll o y s . W 别r e n da l e : M aet l l S o e A 】M E , 1 9 8 5 . 1 1 4 Pi c k en g F B , G ar b arz B . T h e E fe e t o f T r an s fo mr at i o n T e m P e r a ut r e an d P ir o r A u s et n i et G ar in S泣e o n ht e P e ar l i t e C o l o n y S i z e in V an ad i um T er a et d P e ar li t e Set e l s . S e ir M e at ll , 1 9 87 , 2 1: 2 4 9 ~ 2 5 3 5 G ar b arz B , P i e k e ir n g F B . E fe e t o f P e ar li t e M o pr h o fo g y o n lnI Pac t T o u g hn e s s o f E u et e ot id s t e e l C o n at in in g V an a d i u m . M aet r S e i T e e h , 1 9 8 8 , 4 : 3 2 8 ~ 3 3 4 6 方淑芳 , 柯晓涛 , 张键 , 李兴蓉 , 张志新 . P D , 钢热轧工艺模拟研究 · 钢铁钒钦 , 1 9 91 , 12 (l ) : 52 一 61 7 苏世怀 . 在线热处理工艺模 拟试验研究 :[ 硕士 论文 1 . 北京科技大学 , 19 93 8 王 树青 , 周 清跃 , 周镇 国 . 钢 轨全 长淬火 后 的 力学性 能 与 使用 效果 的 关 系研究 . 机 械工 程材 料 , 1 9 4, 18 ( 6 ) : 2 4 ~ 30 9 石霖 . 合金力学 . 北京 : 机械工 业出 版社 , 1 9 9 2 . 4 0 0 一 4 0 1 10 nA y a C C , B ak e r T N . E fe e t o f 5 1 o n M i e or s utr e ut er a n d S o m e M e e h a n i c a l Por P e rt i e s o f L aw C a r b o n S t e e l s . M a t e r S e i T e c h , 19 9 0 , 6 : 5 5 4 一 5 6 1 1 I K五a li d F A , E d l l l o n ds D V . E fe e t o f V an a d i u m o n ht e G ar i n B o u n d a yr C a r b i d e N u e l e at i o n o f P e ar il t e in H ig h 一 e ar b o n S t e e l s . S e ir M e at ll M a t e r , 1 9 9 4 , 3 0 : 1 2 5 1 一 12 5 5 12 H an K , S n 五ht G D W , E d m o n d s D V . P e ar l i t e P h as e T r a n s fo r r n at i o n in 5 1 an d V S et e l s . M e at l l M at 盯 T r a n S A , 1 9 9 5 , 2 6 A : 16 17 一 1 6 3 1 I n fl u e n e e 0 1 ht e hZ u Xi a o do n g l ) o f A u s t e n i z i n g C o n d i t i o n a n d V a n a d i u m Im P a c t T o u g h n e s s o f P e a r l i t i e R a i l S t e e l s L i hC e n 舒i hZ a n g hS o u h u a l ) oZ u 械 n g Z ) su 肋动 u a i Z ) l ) D e p a rt m e nt o f M a t e ir a l s e i e n e e s a n d E叱in e e ir n g , u S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , p R C 2 ) P an z h il u a I r o n a n d S t e e l ( G r o u P ) C o m P an y A B S T R A C T H e a Vy r a il s t e e l s , PD Z an d P D 3 , ar e e h o s e n fo r ht e in v e s t ig a t i o n o f ht e im P a e t t o u g n e s s i n a s 一 r o l l e d an d r e h e a t e d s at t e . T h e r e s u lt s s h o w t h at th e e o n d i t i o n o f a u s t e n i et ( a u s t e n i t e g r a i n s i z e , h o m o g e n e iyt o f e h e m i e a l e o n t e n t s a s w e ll a s d i s s o l u t i o n an d P r e e i Piat t i o n o f e ar b i d e s ) , ht e m o pr h o r l o g y o f P e ar lit e an d ht e i n t e r l a m e ll a r s Pac in g ar e ht e iltr e e m a in s utr e ut r e af e t o r s in fl u e n e i n g ht e t o u g lm e s s o f Pe a r li t e . A b a s i e Plan fo r ht e t o u g h e n in g o f P e ar lit e ar il s t e e l s 1 5 P r e s e n t e d , w h i e h i n e l u d e s r e 血 e m e n t o f au s et n i et g r a i n an d P e a r li t e in t e r l a m e ll a r s P a e i n g , h o m o g e n i z a ti o n o f a u s t e n i t e e o n t e n t an d e o m Pl e t e d i s s o l u t i o n o f s tr o n g e a r b i d e fo mr i n g e l e m e n t s i n ht e a u s te n i t e . K E Y W O R D S r a il s t e e l s , P e ar lit e , im P a e t t o u gh n e s s