国产高速铁路用车轮钢断裂及高速加载韧脆转变机理

我国已成为高速铁路的运营大国，但目前作为高速列车关键技术之一的高速车轮的国产化还未实现，其主要乃至唯一原因是高速车轮钢材料的断裂韧性偏低并且很不稳定。这严重影响了车轮钢国产化进程以及今后国产车轮的运行安全性。本申请拟在对国产化高速车轮钢力学性能大量研究的基础上，针对高速车轮钢的断裂韧性重点研究以下几个问题：①高速车轮钢断裂行为的特点、规律及断裂机理；②微观组织（包括晶粒尺寸、铁素体分布、珠光体片间距及第二相等）对高速车轮钢断裂韧性影响的定量关系；③环境温度对高速车轮钢断裂行为、断裂韧性和断裂机理的影响；④高速车轮钢在高速加载条件下的断裂行为、试验方法及韧脆转变机理的研究；⑤高速车轮钢断裂过程的SEM、TEM及同步辐射X射线原位微观观察与分析研究。通过这些研究揭示高速车轮钢的断裂机理，为改善高速车轮钢的断裂韧性提供有效的方法，并且为高速车轮钢的安全评估和设计提供依据。

高速车轮是高速列车的关键部件之一，密切关系高速列车运行的安全性。作为关系高速列车核心技术之一的高速车轮仍全部依赖进口。问题突出表现在断裂韧性偏低且不稳定，其关键原因在于对高速车轮钢的断裂机理没有充分的理解，对影响高速车轮钢断裂韧性的主要因素没有正确认识。围绕车轮钢的断裂韧性，本课题主要开展了如下研究：（1）高速车轮钢的断裂行为及断裂机制；（2）晶粒度、珠光体团、珠光体片间距及第二相等微观组织对高速车轮钢断裂韧性影响的定量规律；（3）温度对高速车轮钢断裂韧性及断裂行为的影响；（4）车轮钢高速加载实验方法及高速加载对车轮钢断裂韧性及断裂行为的研究；（5）车轮钢的韧脆转变机制。. 通过对上述问题的研究，重要研究结果如下：（1）晶粒尺寸对试样的断裂韧性有明显的影响，最大5%晶粒尺寸越大断裂韧性越低，粗大的珠光体片间距会降低断裂韧性。尺寸在10 μm以下的夹杂物对室温冲击韧性及断裂韧性没有明显影响。（2）CL50D车轮钢显微晶粒度随加热速率的增加而增加，且组织均匀化，在850 ℃附近为组织优化的温度区间。（3）20至-80℃下，车轮钢的断裂处于韧—脆转变区，断裂韧性且随温度的降低而降低；温度较高时，解理断裂的模式为扩展控制，晶粒尺寸和珠光体片间距越小断裂韧性越高。（4）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细解理断裂应力越高。（5）高速车轮钢屈服应力、抗拉强度随应变速率的常用对数的升高而线性增加，随温度的升高而基本呈线性降低。温度及加载速率对高速车轮钢材料塑性本构关系的定量影响可通过包含温度和应变速率参数的Hollomon方程描述。随加载速率增加，裂纹尖端更易解理起裂，发生脆性断裂。. 本研究共已发表（含已接受）SCI/EI检索论文8篇，授权发明专利1项，培养硕士研究生4名，参加国内外学术会议4次。通过本项目的研究，基本弄清了高速车轮钢断裂的规律和机理，找到了影响断裂韧性的主要因素，其研究结果为提高高速车轮钢断裂韧性提供了可行的工艺改进思路，为高速列车的安全评价和设计提供了依据。本项目研究的CL50D车轮钢及其性能、工艺成果被纳入国产动车组用车轮标准范围。