·530· 工程科学学报，第38卷，第4期 1505050 5 20 40 60 80 长度加m 图10图9(b)中微观组织的电子背散射衍射技术品体取向二维分析结果(a)及图中沿BC线晶体取向差分布(b) Fig.10 2-dimensional EBSD crystal orientation distribution of the microstructure shown in Fig 9(b)(a)and crystal orientation difference along line BC (b) 裂纹对解理断裂应力没有影响.因此在扩展控制断裂 寸和珠光体片间距对断裂机制也产生明显影响 模式下，微裂纹的形核不是车轮钢解理断裂过程中的 (2)在扩展控制断裂机制下，微观组织对车轮钢 决定性环节 的解理断裂应力具有明显影响，晶粒尺寸和珠光体片 结合式(1)，在车轮钢中晶粒尺寸，尤其是最大 间距越小，解理断裂应力越高 5%晶粒尺寸是决定解理断裂应力的因素之一，在有效 (3)高速车轮钢中晶界（或珠光体界）处的晶体取 表面能一定的情况下，晶粒直径越小，特征微裂纹尺寸 向差、珠光体基体及晶界铁素体的有效表面能是微裂 d越小，解理断裂应力o,越高.因此FG/S试样的解 纹扩展的主要阻力，因此细化晶粒及珠光体片间距可 理断裂应力高于CG/FS试样，FG/CS试样的解理断裂 以使解理断裂应力提高 应力高于CG/CS试样.Alexander和Bernstein对全 珠光体钢的研究表明，珠光体组织的有效表面能y,随 参考文献 珠光体片间距S的减小而增加，二者基本呈线性关系， ] 可以表示为 Gong S,Ren X C,Ma Y X,et al.Effect of heat-treatment on mi- crostructure and fracture toughness of high-speed railway wheel y。=1.96+1.137S (2) steel.Trans Mater Heat Treat,2015,36(4):150 车轮钢中裂纹扩展过程中消耗的能量主要有珠光体的 (龚帅，任学冲，马英霞，等.热处理工艺对高速车轮钢显微组 有效表面能、铁素体的有效表面能及晶界（或珠光体 织和断裂韧性的影响.材料热处理学报，2015,36(4)：150) 团界)的有效表面能组成.由于在车轮钢中珠光体组 [2] Chen J H,Wang GZ,Yan C,et al.Advances in the mechanism 织所占的比例较高，因此珠光体有效表面能的改变将 of cleavage fracture of low alloy steel at low temperature:Part III. 会对解理断裂应力产生明显的影响.即在相同的晶粒 Local fracture stress Int J Fract,1997,83:139 B] Wang GZ,Wang JG.Chen J H.Effects of geometry of notched 尺寸下，珠光体片间距越小，解理断裂应力越高。因此 specimens on the local cleavage fracture stress o of C-Mn steel. FG/FS试样的解理断裂应力高于FG/CS试样，CG/FS Eng Fract Mech,2003,70(18):2499 试样的解理断裂应力高于CG/CS试样.FG/CS试样 Ren X C,Tian JJ,Wang G Z,et al.Influence of loading rate on 和CG/S试样的解理断裂应力的大小取决于晶粒直 fracture behavior of notched specimens made of low alloy steel.J 径及珠光体有效表面能Y,对解理断裂应力的共同作 Univ Sci Technol Beijing,2004,26(5):533 用.在本研究中，FG/CS试样和CG/FS试样的解理断 (任学冲，田建军，王国珍，等.加载速率对低合金钢缺口断 裂行为的影响.北京科技大学学报，2004,26(5)：533) 裂应力基本相当，因此可以推断在这两组试样中晶粒 [5] Samant A V,Lewandowski J J.Effects of test temperature,grain 直径及珠光体有效表面能Y,的改变对解理断裂应力 size,and alloy additions on the cleavage fracture stress of polycrys- 的影响作用基本相当. talline niobium.Metall Mater Trans A,1997,28:389 [6 Wang G Z,Liu Y G,Chen J H.Investigation of cleavage fracture 4结论 initiation in notched specimens of a C-Mn steel with carbides and (1)车轮钢三点弯曲缺口试样的断裂机制随温度 inclusions.Mater Sci Eng A,2004,369(12):181 的变化而改变，在较高的温度下其断裂临界事件为晶 Lewandowski J,Thompson A W.Microstructural effects on the cleavage fracture stress of fully pearlitic cutectoid steel.Metall 粒尺寸微裂纹穿过晶界扩展，即扩展控制，随温度的降 Mater Trans A,1986,17(10):1769 低逐渐变为起裂控制：在相同的温度下，奥氏体晶粒尺 [8]Alexander D J,Bernstein I M.Cleavage fracture in pearlitic eu-工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 图 10 图 9( b) 中微观组织的电子背散射衍射技术晶体取向二维分析结果( a) 及图中沿 BC 线晶体取向差分布( b) Fig． 10 2-dimensional EBSD crystal orientation distribution of the microstructure shown in Fig. 9( b) ( a) and crystal orientation difference along line BC ( b) 裂纹对解理断裂应力没有影响． 因此在扩展控制断裂 模式下，微裂纹的形核不是车轮钢解理断裂过程中的 决定性环节． 结合式( 1) ，在车轮钢中晶粒尺寸，尤其是最大 5% 晶粒尺寸是决定解理断裂应力的因素之一，在有效 表面能一定的情况下，晶粒直径越小，特征微裂纹尺寸 d 越小，解理断裂应力 σf越高． 因此 FG / FS 试样的解 理断裂应力高于 CG / FS 试样，FG /CS 试样的解理断裂 应力高于 CG /CS 试样． Alexander 和 Bernstein［8］ 对全 珠光体钢的研究表明，珠光体组织的有效表面能 γp随 珠光体片间距 S 的减小而增加，二者基本呈线性关系， 可以表示为 γp = 1. 96 + 1. 137S － 1 ． ( 2) 车轮钢中裂纹扩展过程中消耗的能量主要有珠光体的 有效表面能、铁素体的有效表面能及晶界( 或珠光体 团界) 的有效表面能组成． 由于在车轮钢中珠光体组 织所占的比例较高，因此珠光体有效表面能的改变将 会对解理断裂应力产生明显的影响． 即在相同的晶粒 尺寸下，珠光体片间距越小，解理断裂应力越高． 因此 FG / FS 试样的解理断裂应力高于 FG /CS 试样，CG / FS 试样的解理断裂应力高于 CG /CS 试样． FG /CS 试样 和 CG / FS 试样的解理断裂应力的大小取决于晶粒直 径及珠光体有效表面能 γp对解理断裂应力的共同作 用． 在本研究中，FG /CS 试样和 CG / FS 试样的解理断 裂应力基本相当，因此可以推断在这两组试样中晶粒 直径及珠光体有效表面能 γp的改变对解理断裂应力 的影响作用基本相当． 4 结论 ( 1) 车轮钢三点弯曲缺口试样的断裂机制随温度 的变化而改变，在较高的温度下其断裂临界事件为晶 粒尺寸微裂纹穿过晶界扩展，即扩展控制，随温度的降 低逐渐变为起裂控制; 在相同的温度下，奥氏体晶粒尺 寸和珠光体片间距对断裂机制也产生明显影响． ( 2) 在扩展控制断裂机制下，微观组织对车轮钢 的解理断裂应力具有明显影响，晶粒尺寸和珠光体片 间距越小，解理断裂应力越高． ( 3) 高速车轮钢中晶界( 或珠光体界) 处的晶体取 向差、珠光体基体及晶界铁素体的有效表面能是微裂 纹扩展的主要阻力，因此细化晶粒及珠光体片间距可 以使解理断裂应力提高． 参 考 文 献 ［1］ Gong S，Ｒen X C，Ma Y X，et al． Effect of heat-treatment on mi￾crostructure and fracture toughness of high-speed railway wheel steel． Trans Mater Heat Treat，2015，36( 4) : 150 ( 龚帅，任学冲，马英霞，等． 热处理工艺对高速车轮钢显微组 织和断裂韧性的影响． 材料热处理学报，2015，36( 4) : 150) ［2］ Chen J H，Wang G Z，Yan C，et al． Advances in the mechanism of cleavage fracture of low alloy steel at low temperature: Part III． Local fracture stress σf ． Int J Fract，1997，83: 139 ［3］ Wang G Z，Wang J G，Chen J H． Effects of geometry of notched specimens on the local cleavage fracture stress σf of C--Mn steel． Eng Fract Mech，2003，70( 18) : 2499 ［4］ Ｒen X C，Tian J J，Wang G Z，et al． Influence of loading rate on fracture behavior of notched specimens made of low alloy steel． J Univ Sci Technol Beijing，2004，26( 5) : 533 ( 任学冲，田建军，王国珍，等． 加载速率对低合金钢缺口断 裂行为的影响． 北京科技大学学报，2004，26( 5) : 533) ［5］ Samant A V，Lewandowski J J． Effects of test temperature，grain size，and alloy additions on the cleavage fracture stress of polycrys￾talline niobium． Metall Mater Trans A，1997，28: 389 ［6］ Wang G Z，Liu Y G，Chen J H． Investigation of cleavage fracture initiation in notched specimens of a C--Mn steel with carbides and inclusions． Mater Sci Eng A，2004，369( 1-2) : 181 ［7］ Lewandowski J J，Thompson A W． Microstructural effects on the cleavage fracture stress of fully pearlitic eutectoid steel． Metall Mater Trans A，1986，17( 10) : 1769 ［8］ Alexander D J，Bernstein I M． Cleavage fracture in pearlitic eu- · 035 ·