·748 工程科学学报，第42卷，第6期 crack growth and plays an important role in deflecting crack path and delaying crack growth.Moreover,it hinders the deformation of ferrite and pearlite KEY WORDS ER8 wheel steel;upper bainite;crack;in situ stretching;plastic deformation 铁素体和珠光体是铁路车轮钢中常见的两种 远低于渗碳体，铁素体基体优先经历塑性变形，导 微观组织，不同含碳量得到的组织含量也不同山 致层状珠光体的屈服强度降低8剧 车轮钢的微观组织结构不同，变形断裂过程也不 对ER8车轮钢轮辋踏面区域的组织研究发现 一样回对车轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先 存在上贝氏体.本文对含有上贝氏体的ER8车轮 共析铁素体中形核并沿界面上网状铁素体扩展， 钢进行裂纹萌生与扩展分析，从而研究裂纹在上 疲劳裂纹往往受阻于珠光体).当裂纹激发微观结 贝氏体及铁素体和珠光体的传播路径.通过原位 构中的硬质相时，裂纹尖端扩展可能受阻或偏转 拉伸实验对不同含量的上贝氏体ER8车轮钢的变 在高应力强度因子范围内，铁素体-珠光体钢中的 形过程进行分析 裂纹易于沿着铁素体珠光体界面的弱区传播阿 1实验材料和方法 利用原位扫描电子显微镜揭示不同类型微观组织 对裂纹扩展的影响以及裂纹的闭合现象刃此 实验材料为国外进口的两组不同批次的 外，Toribio等图研究表明裂纹萌生的首选位点为 ER8车轮钢，对其轮辋踏面区域进行检测分析，对 珠光体团，裂纹沿着铁素体渗碳体界面和珠光体 两组车轮钢命名为1和2金相试样的取样位置 团界面传播.因为裂纹扩展所需的大部分能量被 如图1所示，其化学成分如表1所示，金相组织观 铁素体和渗碳体界面吸收，所以珠光体片层间距 察前用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀. 越小，裂纹扩展速率越小9 从平行于两组车轮钢踏面5mm处切取板状原位 此外，还有大量学者对贝氏体组织中的裂纹 拉伸试样，中心部分尺寸为8mm×12mm,厚度均 及裂纹尖端能量进行研究.Guan与YuIo研究了 为1mm.图2是两组车轮钢在室温下的拉伸实验 具有铁素体-珠光体组织和铁素体-贝氏体组织的 强度数据.动态拉伸台的加载能力为2kN,两组车 热轧低碳钢的原位拉伸，表明在贝氏体中能够观 轮钢试样的抗拉强度在一定范围内变化，故对试 察到频繁的裂纹分支.陈林等川研究了等温盐浴 样选取的厚度保持一致.原位拉伸试样用2000砂 淬火组织中的疲劳裂纹扩展情况，表明在等温盐 纸打磨后，再用体积分数为15%的高氯酸溶液电 浴中得到的贝氏体组织的裂纹扩展速率最慢.孙 解抛光，将试样夹持在Quanta FEG650型扫描电 志永等研究了含有初始裂纹的贝氏体钢的性 镜的动态拉伸台观察加载过程中裂纹的萌生及组 能，表明当贝氏体试样内部含有裂纹，裂纹尖端存 织变形 在应力集中.微观组织在拉伸过程中受到拉力的 作用，微观组织发生不同程度的塑性变形 Teshima等l)研究表明因为铁素体基体的塑性变 形受到层状渗碳体的限制，具有平行或垂直于拉 伸方向排列的渗碳体薄片不会因拉力而显著变 形.Masoumi等u研究表明由于存在诱导的剪切 应变，珠光体形态在变形过程中沿45°重新定向， 高度变形的晶粒可以通过减少储存的能量促进裂 纹的萌生和传播.渗碳体是硬质相，铁素体是软质 130 相，具有不同刚度值的相的分布通常会影响裂纹 的生长行为啊.先共析铁素体比珠光体具有更大 图1ER8车轮钢轮辋踏面区域取样示意图（单位：mm) Fig.I Schematic diagram of sampling area of steel rim tread of ER8 的初始延性，因此先共析铁素体中塑性变形的积 wheel steel (unit:mm) 累开始得更早.当延性耗尽时，裂纹会沿着先共析 2实验结果与分析 铁素体开始萌生与扩展6-1刀，塑性变形的渗碳体 在临界应变作用下出现裂纹，这种裂纹进一步引 2.1微观组织特征 发珠光体钢的韧性断裂.由于铁素体的屈服强度 图3是1和2车轮钢的微观组织图.从图3(a)crack growth and plays an important role in deflecting crack path and delaying crack growth. Moreover, it hinders the deformation of ferrite and pearlite. KEY WORDS    ER8 wheel steel；upper bainite；crack；in situ stretching；plastic deformation 铁素体和珠光体是铁路车轮钢中常见的两种 微观组织，不同含碳量得到的组织含量也不同[1] . 车轮钢的微观组织结构不同，变形断裂过程也不 一样[2] . 对车轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先 共析铁素体中形核并沿界面上网状铁素体扩展， 疲劳裂纹往往受阻于珠光体[3] . 当裂纹激发微观结 构中的硬质相时，裂纹尖端扩展可能受阻或偏转[4] . 在高应力强度因子范围内，铁素体−珠光体钢中的 裂纹易于沿着铁素体/珠光体界面的弱区传播[5] . 利用原位扫描电子显微镜揭示不同类型微观组织 对裂纹扩展的影响以及裂纹的闭合现象[6−7] . 此 外 ，Toribio 等[8] 研究表明裂纹萌生的首选位点为 珠光体团，裂纹沿着铁素体/渗碳体界面和珠光体 团界面传播. 因为裂纹扩展所需的大部分能量被 铁素体和渗碳体界面吸收，所以珠光体片层间距 越小，裂纹扩展速率越小[9] . 此外，还有大量学者对贝氏体组织中的裂纹 及裂纹尖端能量进行研究. Guan 与 Yu[10] 研究了 具有铁素体-珠光体组织和铁素体−贝氏体组织的 热轧低碳钢的原位拉伸，表明在贝氏体中能够观 察到频繁的裂纹分支. 陈林等[11] 研究了等温盐浴 淬火组织中的疲劳裂纹扩展情况，表明在等温盐 浴中得到的贝氏体组织的裂纹扩展速率最慢. 孙 志永等[12] 研究了含有初始裂纹的贝氏体钢的性 能，表明当贝氏体试样内部含有裂纹，裂纹尖端存 在应力集中. 微观组织在拉伸过程中受到拉力的 作 用 ， 微 观 组 织 发 生 不 同 程 度 的 塑 性 变 形 . Teshima 等[13] 研究表明因为铁素体基体的塑性变 形受到层状渗碳体的限制，具有平行或垂直于拉 伸方向排列的渗碳体薄片不会因拉力而显著变 形. Masoumi 等[14] 研究表明由于存在诱导的剪切 应变，珠光体形态在变形过程中沿 45°重新定向， 高度变形的晶粒可以通过减少储存的能量促进裂 纹的萌生和传播. 渗碳体是硬质相，铁素体是软质 相，具有不同刚度值的相的分布通常会影响裂纹 的生长行为[15] . 先共析铁素体比珠光体具有更大 的初始延性，因此先共析铁素体中塑性变形的积 累开始得更早. 当延性耗尽时，裂纹会沿着先共析 铁素体开始萌生与扩展[16−17] . 塑性变形的渗碳体 在临界应变作用下出现裂纹，这种裂纹进一步引 发珠光体钢的韧性断裂. 由于铁素体的屈服强度 远低于渗碳体，铁素体基体优先经历塑性变形，导 致层状珠光体的屈服强度降低[18] . 对 ER8 车轮钢轮辋踏面区域的组织研究发现 存在上贝氏体. 本文对含有上贝氏体的 ER8 车轮 钢进行裂纹萌生与扩展分析，从而研究裂纹在上 贝氏体及铁素体和珠光体的传播路径. 通过原位 拉伸实验对不同含量的上贝氏体 ER8 车轮钢的变 形过程进行分析. 1    实验材料和方法 实验材料为国外进口的两组不同批次 的 ER8 车轮钢，对其轮辋踏面区域进行检测分析，对 两组车轮钢命名为 1 #和 2 # . 金相试样的取样位置 如图 1 所示，其化学成分如表 1 所示，金相组织观 察前用体积分数为 4% 的硝酸酒精溶液进行腐蚀. 从平行于两组车轮钢踏面 5 mm 处切取板状原位 拉伸试样，中心部分尺寸为 8 mm×12 mm，厚度均 为 1 mm. 图 2 是两组车轮钢在室温下的拉伸实验 强度数据. 动态拉伸台的加载能力为 2 kN，两组车 轮钢试样的抗拉强度在一定范围内变化，故对试 样选取的厚度保持一致. 原位拉伸试样用 2000#砂 纸打磨后，再用体积分数为 15% 的高氯酸溶液电 解抛光，将试样夹持在 Quanta FEG 650 型扫描电 镜的动态拉伸台观察加载过程中裂纹的萌生及组 织变形. 2    实验结果与分析 2.1    微观组织特征 图 3 是 1 #和 2 #车轮钢的微观组织图. 从图 3（a） 130 80 10 10 70 图 1    ER8 车轮钢轮辋踏面区域取样示意图 (单位：mm) Fig.1     Schematic  diagram  of  sampling  area  of  steel  rim  tread  of  ER8 wheel steel (unit: mm) · 748 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期