龚帅等：微观组织对高速车轮钢解理断裂应力的影响 ·529 20n 图8在-40℃下试样截面上断口附近的残留微裂纹.(a)FG/S:(b)CG/FS Fig.8 Residual microcracks on the cross section near the fracture surface of 3PB specimens at -40C.(a)FG/FS:(b)CG/FS 的贡献较小.由金相观察结果可见，在CG/S及CG/ 解理断裂应力几乎没有影响.在Alexander和Bem- CS试样中由于晶粒尺寸和珠光体团尺寸较大，且有的 stein阅、Park和Bernstein的研究中，由于采用等温 过度长大，尤其CG/CS试样中.在-40℃下CG/FS试 冷却处理，珠光体团尺寸几乎相等，因此解理断裂应力 样中观察到止裂于珠光体团界的残留微裂纹，如图8 仅与珠光体片间距有关. (b)所示.在室温下CG/CS试样中也观察到止裂于珠 对于高速车轮钢，其原奥氏体晶界分布有一定厚 光体团界的微裂纹，如图9(a)所示.对CG/CS试样的 度的先共析铁素体.铁素体较珠光体而言具有良好的 个晶粒进行观察，如图9(b)所示，可见晶粒内部分 塑性网，晶界铁素体的表观断裂韧性较晶内珠光体的 布有尺寸不等的珠光体团，珠光体团直径最大约为 表观断裂韧性K。高3倍左右圆.当温度不太低时，试 60μm 样解理断口上不同解理刻面的连接往往为延性撕裂， 对图9(b)中晶粒及珠光体团利用电子背散射衍 如图5所示，也说明晶界铁素体具有更好的延性，使得 射技术进行晶体取向分析，结果如图10所示.图10 晶界铁素体具有阻止裂纹扩展的作用.由表2中试样 (a)中不同的颜色代表具有不同晶体取向的珠光体 的解理起裂源处解理刻面尺寸D可见，其尺寸与材料 团.由图可见，在同一原奥氏体晶粒内，具有几个取向 中最大晶粒尺寸相当，这也与车轮钢断裂韧性主要由 明显不同的珠光体团.沿图中BC线测量晶体取向差， 5%最大晶粒尺寸控制的结论相一致网，说明在该钢 其结果如图10(b)所示.图10(a)中两个晶体取向差 中，晶界处的晶体取向差及晶界铁素体对裂纹扩展的 较大的珠光体团边界处A点的取向差约为40°.由此 阻碍作用使得已形核微裂纹穿过晶界扩展成为解理断 可见，当珠光体团间的晶体取向差大时，裂纹穿过边界 裂过程中最困难的阶段.这样，试样中未扩展微裂纹 扩展时会改变方向，产生较大的阻力，从而起到类似晶 的特征尺寸为原奥氏体晶粒直径.表2中还可以看 界的作用.对于全珠光体钢，由于原奥氏体晶界没有 出，有的试样解理起裂源处存在TN夹杂，有的试样则 先共析铁素体，其结构与取向差较大的珠光体团界相 没有发现夹杂物，但其存在与否对解理断裂应力没有 似，对裂纹的阻碍作用也类似，因此原奥氏体晶粒度对 影响，说明夹杂物导致的微裂纹形核，即夹杂物尺寸的 20 图9CG/CS试样在20℃断裂时断口截面止裂于珠光体团界的微裂纹()及CG/CS试样品粒内部珠光体团形貌(b) Fig.9 Microcrack stopped at the pearlite colony boundary in a CG/CS specimen fractured at 20C (a)and pearlite colonies in a grain of the CG/CS specimen (b)龚 帅等: 微观组织对高速车轮钢解理断裂应力的影响 图 8 在 － 40 ℃下试样截面上断口附近的残留微裂纹． ( a) FG /FS; ( b) CG /FS Fig． 8 Ｒesidual microcracks on the cross section near the fracture surface of 3PB specimens at － 40 ℃. ( a) FG /FS; ( b) CG /FS 的贡献较小． 由金相观察结果可见，在 CG / FS 及 CG / CS 试样中由于晶粒尺寸和珠光体团尺寸较大，且有的 过度长大，尤其 CG /CS 试样中． 在 － 40 ℃下 CG / FS 试 样中观察到止裂于珠光体团界的残留微裂纹，如图 8 ( b) 所示． 在室温下 CG /CS 试样中也观察到止裂于珠 光体团界的微裂纹，如图 9( a) 所示． 对 CG /CS 试样的 一个晶粒进行观察，如图 9( b) 所示，可见晶粒内部分 布有尺寸不等的珠光体团，珠光体团直径最大约为 60 μm． 图 9 CG /CS 试样在 20 ℃断裂时断口截面止裂于珠光体团界的微裂纹( a) 及 CG /CS 试样晶粒内部珠光体团形貌( b) Fig． 9 Microcrack stopped at the pearlite colony boundary in a CG /CS specimen fractured at 20 ℃ ( a) and pearlite colonies in a grain of the CG /CS specimen ( b) 对图 9( b) 中晶粒及珠光体团利用电子背散射衍 射技术进行晶体取向分析，结果如图 10 所示． 图 10 ( a) 中不同的颜色代表具有不同晶体取向的珠光体 团． 由图可见，在同一原奥氏体晶粒内，具有几个取向 明显不同的珠光体团． 沿图中 BC 线测量晶体取向差， 其结果如图 10( b) 所示． 图 10( a) 中两个晶体取向差 较大的珠光体团边界处 A 点的取向差约为 40°． 由此 可见，当珠光体团间的晶体取向差大时，裂纹穿过边界 扩展时会改变方向，产生较大的阻力，从而起到类似晶 界的作用． 对于全珠光体钢，由于原奥氏体晶界没有 先共析铁素体，其结构与取向差较大的珠光体团界相 似，对裂纹的阻碍作用也类似，因此原奥氏体晶粒度对 解理断裂应力几乎没有影响． 在 Alexander 和 Bern￾stein［8］、Park 和 Bernstein［16］ 的研究中，由于采用等温 冷却处理，珠光体团尺寸几乎相等，因此解理断裂应力 仅与珠光体片间距有关． 对于高速车轮钢，其原奥氏体晶界分布有一定厚 度的先共析铁素体． 铁素体较珠光体而言具有良好的 塑性［18］，晶界铁素体的表观断裂韧性较晶内珠光体的 表观断裂韧性 KQ高 3 倍左右［13］． 当温度不太低时，试 样解理断口上不同解理刻面的连接往往为延性撕裂， 如图 5 所示，也说明晶界铁素体具有更好的延性，使得 晶界铁素体具有阻止裂纹扩展的作用． 由表 2 中试样 的解理起裂源处解理刻面尺寸 D 可见，其尺寸与材料 中最大晶粒尺寸相当，这也与车轮钢断裂韧性主要由 5% 最大晶粒尺寸控制的结论相一致［19］，说明在该钢 中，晶界处的晶体取向差及晶界铁素体对裂纹扩展的 阻碍作用使得已形核微裂纹穿过晶界扩展成为解理断 裂过程中最困难的阶段． 这样，试样中未扩展微裂纹 的特征尺寸为原奥氏体晶粒直径． 表 2 中还可以看 出，有的试样解理起裂源处存在 TiN 夹杂，有的试样则 没有发现夹杂物，但其存在与否对解理断裂应力没有 影响，说明夹杂物导致的微裂纹形核，即夹杂物尺寸的 · 925 ·