贝氏体钢轨矫直前后回火的组织性能分析

王冬，金纪勇，刘祥，陈昕，张瑜

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009）

贝氏体钢轨具有良好的强韧性、耐磨性和抗接触疲劳性能，近年来受到钢铁材料研究者和钢铁生产企业的格外重视，被誉为“二十一世纪的钢轨”［1-3］，其组织中含有的少量残余奥氏体在变形过程中与基体相互配合不会降低抗拉强度的同时，还提升了韧塑性，综合性能得到较大幅度提升［4-5］。残余奥氏体对贝氏体钢轨性能的影响更多地依赖于其在变形过程中的稳定性，也直接决定着TRIP效应的作用，如果残余奥氏体不稳定，在变形开始阶段就大量发生马氏体相变，这种相变徐祖耀［6］称为应力协助马氏体形核，生成马氏体硬相割裂贝氏体基体导致钢轨韧塑性恶化并在内部产生较大的残余应力；如果残余奥氏体过于稳定，在钢发生断裂后也不发生马氏体相变，这样的残余奥氏体对性能也没有任何提高［7］。因此有效控制残余奥氏体稳定性和含量是获得综合性能稳定的贝氏体钢轨关键。本文以热轧贝氏体钢轨为研究对象，重点分析了矫直前后回火的贝氏体钢轨微观组织、残余奥氏体含量与稳定性以及拉伸性能特点，希望为获得综合性能稳定的热轧贝氏体提供工艺借鉴。

1 试制试验与方法

试验用钢的化学成分见表1，经过试制试验轧制成60 kg/m贝氏体钢轨，贝氏体钢轨试制生产工艺见图1。钢轨轧制成形后分别进行矫直前回火和矫直后回火工艺处理，试验分别选取两根钢轨，矫直前回火试样编号为A，矫直后回火试样编号为B。

表1 试验钢化学成分Table 1 Chemical Compositions in Test Steel %

按照TB 2344-2012中金相和拉伸性能检验试样取样要求，对试验钢轨进行取样，具体取样位置见图2。

图2 金相与拉伸试样取样部位Fig.2 Sampling Locations for Metallographic and Tensile Samples

试样经机械打磨和抛光后用4%的硝酸酒精浸蚀，利用ZEISS AX10光学显微镜进行金相组织观察；将试样厚度机械研磨至35～50 μm后在-20℃双喷减薄，双喷液为5%高氯酸+95%无水乙醇，液氮冷却，电压25～50 V，利用场发射JEM-2010F透射电境观察试样微观组织形貌和残余奥氏体形态；利用磁性法定量分析试样组织中残余奥氏体含量，通过拉伸试机检验试样拉伸性能，通过对比组织性能分析研究矫直前后回火对贝氏体钢轨组织性能影响。

2 试验结果与分析

2.1 矫直前后回火对显微组织影响

矫直前回火和矫直后回火两组试验方式得到的试样金相组织见图3。

图3 矫直前后回火试样金相组织Fig.3 Microstructures of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

从图3可以看出，矫直前后回火试样金相组织均由板条贝氏体+M/A岛组成。由透射电镜进一步观察，矫直前后回火试样组织形貌见图4。可以看出矫直前回火试样组织由无碳化物板条贝氏体、少量M/A岛及微量马氏体组成，未见残余奥氏体，见图4（a）；矫直后回火试样组织由无碳化物板条贝氏体、板条间分布着残余奥氏体薄膜、少量 M/A岛和微量回火马氏体组成，见图4（b）。

图4 矫直前后回火试样透射组织形貌Fig.4 TEM Microstructure Appearances of Tempered Samples by Tempering before and after Straightening

2.2 变形对残余奥氏体含量与稳定性影响

2.2.1 矫直前后回火对残余奥氏体含量与稳定性影响

在回火工艺相同情况下，利用磁性法分别对矫直试样、矫直后回火试样，回火试样、回火后矫直试样及不矫直不回火试样进行残余奥氏体定量检测，结果见表2。

表2 不同工艺条件残余奥氏体含量和稳定性Table 2 Stability and Content of Residual Austenite with Different Processes %

由表2可以看出，与不矫直不回火试样相比，矫直后残余奥氏体含量下降7.3%，矫直后回火残余奥氏体含量又下降了2.9%，而直接回火试样残余奥氏体含量下降13.9%，回火后矫直残余奥氏体含量又下降了1.1%。根据试验结果，贝氏体钢轨矫直前回火和矫直后回火对组织中残余奥氏体影响很大，热轧贝氏体钢轨直接矫直会使一部分残余奥氏体发生应力诱导组织转变（TRIP效应）。由于矫直过程中矫直力很大，导致局部剧烈变形诱发部分残余奥氏体和M/A岛发生马氏体转变，未发生转变的残余奥氏体则展现出较好的机械稳定性，在后续回火中TRIP效应产生的马氏体转变成回火马氏体，未转变的残余奥氏体和M/A岛在加热和保温过程中发生少部分分解或转变为贝氏体，最终形成图4（b）中的微观组织；而矫直前直接回火的试样由于加热和保温原因使热稳定性差的残余奥氏体和M/A岛发生分解，碳化物逐渐析出，部分位错密度降低，剩余残余奥氏体和M/A岛在后续矫直中发生微弱的TRIP效应，生成微量马氏体，这与图4（a）中的组织构成相符合；上述分析可以发现，从组织组成来看，热轧贝氏体钢轨的后续工序顺序应该采用矫直后回火工艺。

2.2.2 拉伸变形对残余奥氏体含量与稳定性影响

利用磁性法分别对试样A和试样B（二者回火工艺相同）进行5%拉伸塑性预变形残余奥氏体定量检测，结果见表3。

表3 拉伸变形残余奥氏体含量和稳定性Table 3 Stability and Content of Residual Austeniteby Tensile Deformation Test %

由表3可见，试样A经过变形后，残余奥氏体含量由12.4%降低到10.9%，机械稳定性为87.6%；试样B经过变形后，残余奥氏体含量由8.7%降低到6.7%，机械稳定性为77.0%，该指标明显优于试样A。这是由于试样A经过回火矫直，残余奥氏体含量较少且不稳定，在变形初期就产生大量马氏体转变割裂基体，不利于钢轨强度与塑性；试样B是经过矫直变形后回火处理，残余奥氏体热稳定性和机械稳定性较高，在拉伸过程中能够有效促进TRIP效应发生，不会在变形初期就出现大量马氏体相变，而是伴随着变形抗力增加均匀完成马氏体相变过渡，实现强化贝氏体钢轨的强塑性。

2.3 矫直前后回火对力学性能影响

对试样A和试样B进行拉伸试验，同时对钢轨进行全长拉伸性能稳定性检验，位置选取钢轨的15 m、30 m、45 m、60 m和75 m处，检验结果见表4。

表4 矫直前后回火拉伸性能对比Table 4 Comparison of Tensile Properties by Tempering before and after Straightening

由表4可以看出，试验钢轨全长拉伸性能稳定性良好，试样B强塑性明显高于试样A，其中抗拉强度平均值提高139 MPa，屈服强度平均值提高138 MPa，断面收缩率提高8%，断后伸长率相当。结合上述试验钢的微观组织、残余奥氏体含量和稳定性，并根据拉伸性能结果不难发现，试样B的组织性能优于试样A。分析认为：一是试样B经过矫直后回火，残余奥氏体机械性稳定性和热稳定性强，在拉伸过程中能够有效控制TRIP效应发生，提高强塑性，同时残余奥氏体易产生塑变，在承受外加载荷的过程中可以吸收能量，对裂纹的扩展可起到缓冲作用进而提高塑性。二是由于矫直后回火和矫直前回火得到的组织形态和组织构成不同，试样B中回火马氏体能够与贝氏体形成很好的组织配合，在拉伸过程不割裂基体；试样A中存在微量马氏体并未发现残余奥氏体，在拉伸过程中，有马氏体割裂基体的现象，同时因缺少提供塑性的残余奥氏体，导致试样拉伸性能较差，强塑性不高。因此，矫直后回火工艺获得的贝氏体钢轨组织性能优于矫直前回火工艺。

3 结论

（1）热轧贝氏体钢轨矫直后回火获得的组织构成为无碳化物贝氏体+少量残余奥氏体和M/A岛+微量回火马氏体，获得的拉伸性能明显优于矫直前回火，且拉伸性能稳定，抗拉强度平均提高139 MPa，屈服强度平均提高138 MPa。

（2）热轧贝氏体钢轨矫直后回火，残余奥氏体体积分数比未矫直回火降低了10.2%，比矫直前回火降低了4.8%，获得的残余奥氏体机械稳定性明显提高，能够有效控制变形中的TRIP效应发生，提高贝氏体钢轨强韧性。

（3）热轧贝氏体钢轨矫直后回火工艺获得的贝氏体钢轨组织性能优于矫直前回火工艺获得的贝氏体钢轨组织性能。

浦项钢铁公司不断拓展建筑用钢市场

（1）与客户签署高端钢建材“INNOVILT”品牌使用协议

近期，浦项钢铁公司将韩国17家公司的23个产品正式纳入高端钢材品牌“INNOVILT”认证产品，并与客户签订品牌使用协议。浦项钢铁公司于2019年11月推出了钢建材综合品牌“INNOVILT”，便于消费者识别和选择。近日，浦项钢铁与建材加工企业NI Steel公司在首尔事务所举行了首个“INNOVILT”品牌使用签约仪式，双方将在创新方面加强合作。此外，为了将“INNOVILT”产品用于公共机构和大企业的建筑、土木工程设计，同时充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling）技术，浦项钢铁还特别制作了3D数码信息文件，并在“INNOVILT”官方网站上提供了详细的产品说明，可以下载包含“INNOVILT”产品性能和数据的3D数码信息文件，并将其用于设计。

（2）TMCP厚板用于建设超高层大楼Parc1

近期，浦项钢铁公司生产的TMCP（控轧控冷）厚板正式应用于韩国国内第三高的摩天大楼建筑Parc1（333 m）。 Parc1是由浦项建设公司承建的项目，项目建设采购了约6.3万t钢材，其中包括浦项钢铁公司生产的TMCP厚板。

（3）高分辨率喷印钢板“PosART”加快进军建筑市场

近期，浦项钢铁的高分辨率喷印钢板“PosART”以其优异的性能，成为备受青睐的建筑内外装饰板材。“PosART”是由浦项钢铁公司光阳表面处理研究所开发，自2018年起在浦项钢板公司生产的创新产品，其分辨率是普通印花钢板的四倍以上。在2019年世界钢铁协会主办的 “Steel ie”奖评选活动上，PosART荣获“年度创新奖”。PosART以创新技术为基础，除建筑内外装饰材料外，今后还有望应用于摄影、纪念牌、电子产品等领域。

——摘自“铁诺咨询网”