高速铁路用贝氏体车轮钢氢脆敏感性规律及机理研究

随着我国铁路运输向着高速、重载的迅速发展，对车轮材料的性能提出了更高的要求。贝氏体车轮钢是基于高硅无碳化物贝氏体的优良综合性能开发出的具有完全自主知识产权的新型车轮材料，力学性能优异，极具应用前景。但在贝氏体车轮钢的前期生产实践中发现，贝氏体车轮钢较珠光体-铁素体车轮钢具有高的白点敏感性，严重影响贝氏体车轮钢的生产及运行。本申请拟通过对贝氏体车轮钢氢脆敏感性规律及机理的研究，弄清以下几个问题：①贝氏体组织白点敏感性升高的规律和机理；②贝氏体车轮钢中白点形核、长大的机制；③如何定量表征贝氏体车轮钢的白点敏感性；④贝氏体车轮钢氢致滞后开裂的影响因素和机理。并在以上研究的基础上，通过合金设计和热处理改善钢中氢陷阱的形态和分布，从而降低贝氏体车轮钢的氢脆和白点敏感性。

针对贝氏体车轮钢具有高的白点敏感性问题本项目按计划进行了如下研究：. 1、首先测定了贝氏体车轮钢出现白点临界氢浓度，为生产中氢的控制提供依据。研究表明，贝氏体车轮钢产生氢鼓泡的临界可扩散氢浓度为1.5±0.3ppm。2、对不同氢含量的贝氏体试样进行了慢拉伸试验，随着可扩散氢浓度的增加，慢拉伸试样的延伸率急剧降低。在相同氢含量下慢拉伸性能较普通珠光体-铁素体车轮钢大大降低。3、研究了车轮钢氢致滞后开裂门槛应力强度因子KIH随可扩散氢浓度C0的变化。未充氢试样，贝氏体车轮钢的断裂韧性KIC高CL60车轮钢1倍。当可扩散氢浓度为0.4×10-6时，二者的KIH相当。氢浓度继续升高时，贝氏体车轮钢的KIH明显低于CL60车轮钢的KIH。4、热处理对贝氏体车轮钢性能及滞后开裂的影响。回火温度低于450℃时，试样KIH相没有多明显的变化，而当回火温度达到550℃时，KIH较原始试样的KIH升高了30%。这是由于板条状贝氏体分解为粒状贝氏体，其力学性能也有所降低。5、贝氏体车轮钢拉伸断裂过程的TEM原位研究，贝氏体车轮钢中存在一定的残余奥氏体，微裂纹在扩展过程中如遇到残余奥氏体，由于其塑性较高，裂纹在残余奥氏体处止裂，起到增韧作用。6、残余奥氏体在氢致开裂过程中作用的TEM研究。残余奥氏体在氢和应力的共同作用下转变为马氏体，使得残余奥氏体不再具备提供塑性变形和阻止裂纹扩展的作用，反而成为氢脆敏感性最高的组织，促进了氢致裂纹的形核和扩展。7、车轮钢氢脆敏感性微合金化改善的研究。合适的微合金洁净化使车轮钢产生白点的临界氢浓度大幅度升高，当材料中弥散分布细小的第二相时，氢分散聚集在第二相的边界，不会导致氢的过度聚集集中在某些第二相或夹杂物的周围，从而使材料不易形成氢致开裂即白点的产生。. 课题基本完成了计划书所要求的各项研究内容，科研经费按照计划书预算执行，结余经费1.58万元，请用于本项目进一步的研究及论文发表等支出。项目取得的成果如下：. 发表论文共7篇，其中SCI检索（或源刊）2篇，EI检索1篇，ISTP检索1篇，中文核心期刊3篇。 参加国际会议1次，国内会议1次。. 参与撰写专著一部（《氢脆与应力腐蚀》，作者：褚武扬、李金许、宿彦京、乔利杰、任学冲、黄海友，待出版）。 本项目共培养硕士研究生3名。