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D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.0L.008 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 车轮钢形变断裂过程的原位研究及氢影响 史冬梅)李金许)段桂花)任学冲)褚武扬) 乔利杰) 江波)陈刚)崔银会) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)马鞍山钢铁公司技术中心，马鞍山243000 摘要在扫描电镜下对CL60车轮钢单边缺口薄试样（厚度≤0.5mm)进行了原位拉伸仲实验，并研究了氢的影响.在金相显 微镜下观察了带预裂纹的厚度为0mm的楔形张开加载试样开裂过程.结果表明，对薄试样拉伸变形时，不论是否有氢，先共 析铁素体优先发生塑性变形，微裂纹沿先共析铁素体与珠光体团的边界形核、扩展：在有氢的情况下，微裂纹更容易通过夹杂 物的剥落或夹杂物与基体界面的分离而萌生；薄试样拉伸主要是韧窝断口：对厚试样，裂纹主要通过珠光体中渗碳体片层开 裂而扩展，断口也因此主要呈解理特征· 关键词车轮钢：原位拉伸：变形带：微裂纹 分类号TG111.91:TB301 车轮钢(C质量分数约为0.5%~0.6%)服役 厚为0.5mm的单边缺口的工字形板状拉伸试样， 时的组织由先共析铁素体和珠光体构成，到目前为 中心部分尺寸为0.5mm×5mm×10mm,缺口深约 止，微结构（如先共析铁素体的含量及分布，珠光体 2mm,缺▣半径为0.15mm;以及尺寸为95mm× 的形貌及片层间距等)对车轮服役寿命的影响并不 70mmX30mm的楔形张开加载试样(w edge-open- 十分清楚，有必要研究拉伸或疲劳时裂纹形核、扩展 ing1 oading,W0L),并预制疲劳裂纹.用1000砂 和微结构的相关性.例如，对R8车轮钢的原位观察 纸机械磨光，再在5%高氯酸乙醇溶液中电解抛光 表明，疲劳裂纹在先共析铁素体中形核并沿晶界上 (电压为30V) 网状铁素体扩展，疲劳裂纹往往受阻于珠光体山. 部分薄试样直接进行SEM原位拉伸，另一部 若如此，则降低或细化先共析铁素体将有助于提高 分试样在0.5 mol.L H2S04十0.25gLAs203 车轮钢的抗开裂性能.国内外已有很多人在SEM 溶液中以i=0.1mAcm2电流密度充氢20h后拉 下对各种材料进行了原位拉伸0，从而清楚地揭 仲，所用设备为JSM5800型扫描电镜(SEM)配备 示了局部塑性变形以及裂纹形核、扩展和组织结构 的TEOL动态拉伸台，用二次电子像摄照.WOL试 的关系，本文将通过CL60车轮钢的原位拉伸，揭示 样，首先预制疲劳裂纹，然后用螺钉加载使WOL试 先共析铁素体在形变和开裂过程中的作用 样开裂，用金相显微镜观察开裂过程 钢中不可避免地存在一定含量的氢原子，它们 是可扩散的，本文通过对含氢和不含氢试样的 2结果与分析 SEM原位拉伸来研究原子氢对车轮钢形变和断裂 2.1薄试样的断裂过程 过程的影响 经3%硝酸乙醇溶液侵蚀后的组织显示，车轮 1实验过程 钢由细小的珠光体以及条带状的先共析铁素体组 成，先共析铁素体不连续分布在原始奥氏体晶界以 所用CL60车轮钢的化学成分（质量分数，%） 及珠光体团的边界，如图1 如下：C,0.62;Si,0.29;Mn,0.74:Cr,0.18;P, 未充氢的薄试样拉伸时首先在先共析铁素体上 0.015;S,0.011;Al,0.005;其余为Fe·热轧车轮 产生塑性变形带，当载荷达到1054N时，A,B,C, 经620℃等温5h后粗加工，经870℃淬火后在 D,E等处的先共析铁素体都产生了形变带，在f处 500℃回火4h再精加工，从车轮的轮辋部位制备 的先共析铁素体已开裂形成一个小裂纹，如 收稿日期：2005-09-22修回日期：2006-05-12 图2(a)·升高载荷至1112N,f处的裂纹长大，变形 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50471096) 带已布满A处的先共析铁素体，而且其上边界已开 作者简介：史冬梅(1964一)，女，博士研究生；李金许(1965一)，女： 裂，在b,c,d,e等处的先共析铁素体也发生变形， 教授，博士车轮钢形变断裂过程的原位研究及氢影响 史冬梅1） 李金许1） 段桂花1） 任学冲1） 褚武扬1） 乔利杰1） 江 波2） 陈 刚2） 崔银会2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 马鞍山钢铁公司技术中心马鞍山243000 摘 要 在扫描电镜下对 CL60车轮钢单边缺口薄试样（厚度≤0∙5mm）进行了原位拉伸实验并研究了氢的影响．在金相显 微镜下观察了带预裂纹的厚度为30mm 的楔形张开加载试样开裂过程．结果表明对薄试样拉伸变形时不论是否有氢先共 析铁素体优先发生塑性变形微裂纹沿先共析铁素体与珠光体团的边界形核、扩展；在有氢的情况下微裂纹更容易通过夹杂 物的剥落或夹杂物与基体界面的分离而萌生；薄试样拉伸主要是韧窝断口；对厚试样裂纹主要通过珠光体中渗碳体片层开 裂而扩展断口也因此主要呈解理特征． 关键词 车轮钢；原位拉伸；变形带；微裂纹 分类号 TG111∙91；TB301 收稿日期：20050922 修回日期：20060512 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50471096） 作者简介：史冬梅（1964—）女博士研究生；李金许（1965—）女 教授博士 车轮钢（C 质量分数约为0∙5％～0∙6％）服役 时的组织由先共析铁素体和珠光体构成．到目前为 止微结构（如先共析铁素体的含量及分布珠光体 的形貌及片层间距等）对车轮服役寿命的影响并不 十分清楚有必要研究拉伸或疲劳时裂纹形核、扩展 和微结构的相关性．例如对 R8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晶界上 网状铁素体扩展疲劳裂纹往往受阻于珠光体［1］． 若如此则降低或细化先共析铁素体将有助于提高 车轮钢的抗开裂性能．国内外已有很多人在 SEM 下对各种材料进行了原位拉伸［2—10］从而清楚地揭 示了局部塑性变形以及裂纹形核、扩展和组织结构 的关系．本文将通过 CL60车轮钢的原位拉伸揭示 先共析铁素体在形变和开裂过程中的作用． 钢中不可避免地存在一定含量的氢原子它们 是可扩散的．本文通过对含氢和不含氢试样的 SEM 原位拉伸来研究原子氢对车轮钢形变和断裂 过程的影响． 1 实验过程 所用 CL60车轮钢的化学成分（质量分数％） 如下：C0∙62；Si0∙29；Mn0∙74；Cr0∙18；P 0∙015；S0∙011；Al0∙005；其余为Fe．热轧车轮 经620℃等温5h 后粗加工经870℃淬火后在 500℃回火4h 再精加工．从车轮的轮辋部位制备 厚为0∙5mm 的单边缺口的工字形板状拉伸试样 中心部分尺寸为0∙5mm×5mm×10mm缺口深约 2mm缺口半径为0∙15mm；以及尺寸为95mm× 70mm×30mm 的楔形张开加载试样（wedge-opening-loadingWOL）并预制疲劳裂纹．用1000＃砂 纸机械磨光再在5％高氯酸乙醇溶液中电解抛光 （电压为30V）． 部分薄试样直接进行 SEM 原位拉伸另一部 分试样在0∙5mol·L —1 H2SO4＋0∙25g·L —1 As2O3 溶液中以 i＝0∙1mA·cm —2电流密度充氢20h 后拉 伸．所用设备为 JSM5800型扫描电镜（SEM）配备 的 TEOL 动态拉伸台用二次电子像摄照．WOL 试 样首先预制疲劳裂纹然后用螺钉加载使 WOL 试 样开裂用金相显微镜观察开裂过程． 2 结果与分析 2∙1 薄试样的断裂过程 经3％硝酸乙醇溶液侵蚀后的组织显示车轮 钢由细小的珠光体以及条带状的先共析铁素体组 成先共析铁素体不连续分布在原始奥氏体晶界以 及珠光体团的边界如图1． 未充氢的薄试样拉伸时首先在先共析铁素体上 产生塑性变形带当载荷达到1054N 时ABC DE 等处的先共析铁素体都产生了形变带在 f 处 的先 共 析 铁 素 体 已 开 裂 形 成 一 个 小 裂 纹如 图2（a）．升高载荷至1112Nf 处的裂纹长大变形 带已布满 A 处的先共析铁素体而且其上边界已开 裂在 bcde 等处的先共析铁素体也发生变形 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．008