U76CrRE重轨钢热处理工艺优化及力学性能分析

王业双， 刘馨宇， 苏 航， 段亚楠， 岑耀东， 陈 林

(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院(稀土学院)， 内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古包钢钢联股份有限公司 包钢技术中心， 内蒙古 包头 014010)

近年来，随着列车提速、重载以及铁路运输年运量的大幅度提高，钢轨的服役环境更加复杂，这对钢轨的力学性能提出了更高的要求。由于磨损造成的钢轨失效是瞬间发生的，很难被提前发现，会对铁路运输安全产生极大隐患[1-2]。强度和硬度不足是造成钢轨在服役过程中失效的主要原因之一。赵桂英等[3]在U75V钢轨的基础上以Cr、RE等作为合金元素研发出了新一代高强稀土钢轨U76CrRE。张智等[4-5]利用喷风喷雾的降温方式进行在线余热淬火，提升了U76CrRE钢轨轨头的强度和硬度，并且研究出了喷风是钢轨热处理过程中降温的最好方式。陈琳等[6]绘制了U76CrRE钢的CCT和TTT曲线，并且研究了U76CrRE钢轨的在线热处理工艺。薛虎东等[7]探究了相变温度对U76CrRE重轨钢组织和性能的影响。王立新等[8]探究了冷却速度对U76CrRE重轨钢组织和性能的影响。曹晓明等[9]探究了U76CrRE重轨钢在不同环境下的生命周期。文献[4-8]也探究了U76CrRE重轨钢的热处理工艺。但是，目前已有的文献大多为连续冷却淬火工艺，由于连续冷却较低的冷速不易获得优异的组织和力学性能，而较高的冷速又容易产生马氏体等异常组织。因此，利用等温手段代替连续冷却的相变过程能够获得更好的组织和性能。为了探究热处理工艺对U76CrRE重轨钢组织和力学性能的影响，本文优化了等温温度以及等温时间，以期对通过热处理改善U76CrRE重轨钢性能的研究提供参考。

1 试验材料与方法

本文以某轨梁厂研制的第二代稀土钢轨U76CrRE(轧态(1号)和在线热处理态(2号))为试验材料，成分如表1所示，RE加入量为0.01%～0.02%。U76CrRE重轨钢轧制后余热为900 ℃，在线自然冷却至室温获得轧态组织，而在线热处理工艺则是在轧态的基础上提升轧后冷却速度，使轧后冷速大于自然冷却，但小于8 ℃/s。在实验室条件下对轧态U76CrRE钢取样进行等温处理试验，参照文献[6]的TTT曲线制定等温热处理工艺，如表2所示。将轧态试样加热到900 ℃保温20 min，随后以相变前最佳冷却速度(8 ℃/s)[10-12]进行冷却，冷却至540 ℃、560 ℃，等温时间为30和45 s，之后以8 ℃/s冷却至室温。采用FLIR T610红外测温仪对热处理过程中的温度变化进行采集。采用蔡司光学显微镜和QUANTA-400场发射扫描电镜对试样组织进行观察，通过Camera Mesure测量珠光体片层间距。利用布氏硬度计测量试样硬度。采用悬臂摆锤冲击试验机和GNT200万能试验机进行冲击和拉伸试验，冲击和拉伸试样均从轨头取样，试样尺寸如图1所示。分析等温温度和等温时间对试样抗拉强度、冲击吸收能量以及硬度的影响。

图1 拉伸(a)及冲击(b)试样尺寸Fig.1 Dimensions of the tensile(a) and impact(b) specimens

表1 U76CrRE重轨钢的化学成分(质量分数，%)

表2 热处理工艺

2 结果分析与讨论

2.1 微观组织

图2、3是不同热处理状态下U76CrRE重轨钢的显微组织和扫描电镜照片，可以看出不同热处理状态下U76CrRE重轨钢的组织细化程度不同。1号轧态试样的晶粒最大，2号在线热处理态组织相对较小。由图2、图3和表3可以看出，试样3、4、5、6的晶粒尺寸和珠光体片层间距均小于试样1、2。相较于轧态和在线热处理态，8 ℃/s冷速的等温处理能够获得更加细小的晶粒和珠光体片层，因此，随着冷却速度的增加，U76CrRE重轨钢的晶粒尺寸和珠光体片层间距越来越小。其中试样3的晶粒尺寸和珠光体片层间距小于试样4，试样5的晶粒尺寸和珠光体片层间距小于试样6，可以看出等温30 s所得到的组织晶粒尺寸和珠光体片层间距要小于45 s时的组织，30 s的等温时间过冷奥氏体已经全部转变为珠光体，继续延长等温时间至45 s，珠光体片层进一步长大，会使U76CrRE重轨钢的微观组织粗大。因此，在相同的等温温度下，等温时间越短，获得的组织越细小。试样3、4的珠光体片层间距均小于试样5、6，但是晶粒尺寸相差不大，说明在相同的相变前冷速和等温时间下，等温温度越低，珠光体片层间距越小。经过等温处理后的试样3、试样4和试样5晶粒尺寸更小、珠光体片层更细，抵抗外力产生变形、断裂的能力提高，同时也会具有更好的塑性[13-14]。综上，8 ℃/s 相变前冷速的等温处理能够显著细化U76CrRE重轨钢的珠光体组织，540 ℃等温温度下，等温时间为30 s时组织最细小，珠光体片层间距为63.6 μm。

图2 不同工艺等温处理U76CrRE重轨钢试样的显微组织(a)轧态;(b)在线热处理态;(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.2 Microstructure of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated;(c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

图3 不同工艺等温处理U76CrRE重轨钢试样的珠光体片层形貌(a)轧态;(b)在线热处理态;(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.3 Morphologies of pearlite lamellae of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated;(c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

2.2 力学性能

高强度、高硬度材料会获得更好的耐磨性。表4为不同热处理状态下U76CrRE重轨钢的力学性能。如表4所示，1号轧态试样的抗拉强度和硬度最低，分别为1119 MPa、310 HBS。经过等温处理后，U76CrRE重轨钢的抗拉强度得到了显著的提升，其中试样3、试样4和试样5的抗拉强度处于1370～1380 MPa，同时具有极高的硬度390～410 HBS。在线热处理工艺也提升了U76CrRE重轨钢的抗拉强度和硬度，但是其强度和硬度值均小于等温30 s的试样。说明随着相变前冷却速度的提升，抗拉强度和硬度不断增大(仅与等温30 s的试样相比，消除等温时间的影响)；试样3和试样4的抗拉强度均为1380 MPa，硬度分别为410和400 HBS，抗拉强度和硬度均大于试样5和试样6。由此可知，在相同的相变前冷速下，等温温度越低，试样的抗拉强度和硬度越大；试样5和试样6在同一等温温度(560 ℃)下发生相变，但是试样6等温时间更长，使已经完全转变的珠光体组织继续长大，使晶粒尺寸和片层间距增加，降低了位错滑移和裂纹扩展过程所需要的能量[15]，所以试样6的抗拉强度和硬度较低。试样3和试样4也在同一等温温度(540 ℃)下发生相变，试样4的相变时间更长。但是二者抗拉强度相同，而且硬度也相差不大，所以在540 ℃的相变温度下，30、45 s的相变时间对抗拉强度和硬度的影响不大。

表3 不同热处理工艺下U76CrRE重轨钢试样的珠光体片层间距

表4 不同热处理状态U76CrRE重轨钢试样的力学性能

重轨钢除了要具备高强度和高硬度以外，韧性也是一个重要的指标，高韧性能在一定程度上可避免重轨钢在服役过程中发生脆性断裂。由表4和图4可知，热处理后U76CrRE钢试样的断后伸长率和断面收缩率均高于轧态试样。其中试样5的断后伸长率为9.33%，断面收缩率为41.32%，略低于在线热处理态，相比于轧态试样分别提升了16%和35%。同时，热处理后U76CrRE重轨钢试样的冲击性能也得到了显著的提升。其中试样2和试样5提升效果显著，冲击吸收能量可达到4.4 J。综上所述，在线热处理和560 ℃×30 s等温处理都可以大幅提升U76CrRE重轨钢的塑性和韧性。

图4 不同工艺等温处理U76CrRE重轨钢试样的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of the U76CrRE heavy rail steel specimens under different isothermal treatment processes

2.3 断口分析

图5和图6是不同热处理工艺下U76CrRE重轨钢拉伸断口和冲击断口形貌。由图5可知，试样1和试样3断口出现了许多面积较大的解理面，同时伴随有河流花样；断口比较平整，可以清晰地观察到裂纹的扩展穿过了晶粒，二者均发生了穿晶断裂，整体表现为脆性断口[16-17]。试样6也存在部分解理面，但是每个解理面的面积相对较小，同时断口也出现了大量的韧窝，既有韧性断裂又有脆性断裂；其断口起伏较大，断裂时裂纹沿着晶界扩展，发生了沿晶断裂。试样2、试样4和试样5断口遍布着大大小小的韧窝，韧窝附近伴随有撕裂棱；同时三者断口均有较大的起伏，发生沿晶断裂，在断裂之前会发生较大程度的塑性变形，整体表现为韧性断裂。所以试样2、试样4和试样5的塑性较好。

图5 不同工艺等温处理U76CrRE重轨钢拉伸试样的断口形貌(a)轧态;(b)在线热处理态;(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.5 Fracture morphologies of tensile specimens of the U76CrRE heavy rail steel under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated; (c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

图6 不同工艺等温处理U76CrRE重轨钢冲击试样的断口形貌(a)轧态;(b)在线热处理态;(c)540 ℃×30 s;(d)540 ℃×45 s;(e)560 ℃×30 s;(f)560 ℃×45 sFig.6 Fracture morphologies of impact specimens of the U76CrRE heavy rail steel under different isothermal treatment processes(a) as-rolled; (b) online heat treated; (c) 540 ℃×30 s; (d) 540 ℃×45 s; (e) 560 ℃×30 s; (f) 560 ℃×45 s

由图6可以看出，试样1、试样3和试样6的冲击断口较为平整，伴随着扇形的解理面和河流花样，属于脆性断裂。试样2、试样4和试样5的冲击断口虽然存在解理面，但是其中还夹杂着部分韧窝和撕裂棱，并且断口中均出现了二次裂纹。韧窝和二次裂纹的产生均需要消耗主裂纹扩展过程中的部分能量，所以3个试样的冲击吸收能量较大[18]，断口由脆性断裂向韧性断裂过渡。

3 结论

1) 等温处理能够细化U76CrRE重轨钢的显微组织，随着相变前冷却速度的增加、等温温度的降低、等温时间的缩短，U76CrRE重轨钢的晶粒和珠光体片层间距变小。

2) 通过优化等温处理工艺(等温30 s)，相对于轧态试样，等温处理后U76CrRE重轨钢的强度、硬度及冲击吸收能量都得到了显著提升。随着等温温度的降低，U76CrRE重轨钢的抗拉强度变大。540 ℃×30 s、540 ℃×45 s两种等温处理工艺下U76CrRE重轨钢的强度、硬度最高，抗拉强度为1380 MPa，硬度分别为400、410 HBS。560 ℃×30 s和在线热处理两种工艺对U76CrRE重轨钢的韧性提升较大，二者冲击吸收能量均为4.4 J，拉伸断口均表现为韧性断裂，冲击断口也由脆性断裂向韧性断裂过渡。

3) 等温温度560 ℃，等温时间30 s下U76CrRE重轨钢的综合力学性能最优异，抗拉强度为1370 MPa，硬度为390 HBS，断后伸长率为9.33%，断面收缩率为41.32%。560 ℃×30 s等温处理是U76CrRE重轨钢的最优热处理工艺。