铁路车轴用微合金化钢强韧机理研究与分析*

吴 毅

(中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所， 北京 100081)

中国铁路是世界上为数不多的快速和重载兼顾发展的国家之一，近些年来都取得了举世瞩目的成就。作为铁道机车车辆走行部的关键部件之一，车轴承受着来自车体及轨道的各种作用力下，应具有足够的安全可靠性和更长的使用寿命，这就对车轴材料及相关技术发展提出了越来越高的要求[1-4]。

从设计选材的角度出发，碳素钢车轴原材料成本较低，具有较高的性价比，但材料强韧性有其固有的限度；合金钢有很多优点，诸如淬透性好、变形小、硬度高、屈强比高、耐腐蚀性能好等等，但是造价比较高；结合技术发展现状和实际运用需求，微合金化钢因其良好的强韧性匹配和较优的性价比，作为重载或快捷货车用车轴的选材具有显著的比较优势。

微合金化技术最早于二十世纪六、七十年代在低碳钢扁平材轧制生产中得到应用，它是通过添加微量(质量分数通常在0.1%左右)的合金化元素钒、铌、钛进行微合金化，在钢中形成相对稳定的碳化物和氮化物，从而产生晶粒细化和析出强化效果，使其强韧性得到显著改善[5]。通过几次升级换版，北美铁路协会将钒元素纳入到AAR M-101《Axles, Carbon Steel, Heat-treated Specification》车轴标准中，同时将车轴的强度指标要求提高了5%，主要用于重载货运列车。

大量研究表明，微合金钢中析出相的形貌、结构、及分布对材料性能具有重要的影响,文中主要结合对重载铁路货车用微合金化LZ45CrV车轴钢的综合性能分析，从微观角度对内部精细结构、分布特征进行了研究，为组织性能优化和应用提供实验和理论依据。

1 拉伸性能分析

对二次正火+一次回火热处理完的微合金化LZ45CrV车轴进行解剖分析，得到的抗拉、屈服强度、伸长率和断面收缩率测试结果都满足标准性能要求，且有一定程度余量，见表1。

表1 LZ45CrV车轴拉伸性能测试结果

选取典型的拉伸试样断口进行分析，如图1所示，从图中可以看出，拉伸断口具有比较明显的边缘剪切特征，而且在高倍下观察到在微观蜂窝状韧窝中有极小的颗粒物存在。

图1 LZ45CrV车轴典型拉伸试样断口

2 动态冲击性能分析

对LZ45CrV车轴钢进行了系列温度下的示波冲击试验，试验采用U2型标准冲击试样，示波冲击试验机为德国ZWICK生产的PSW750型，用以记录冲击变形和断裂过程的载荷——位移曲线，如图2所示。

图2 LZ45CrV车轴典型示波冲击能量曲线

根据测试结果，得到了不同温度下的示波冲击能量对比分析曲线如图3所示，随试验温度的降低，示波冲击各阶段能量均呈下降趋势，但比较之下，裂纹扩展能Wp较裂纹萌生能Wi下降更快，也即冲击试验中裂纹扩展过程受温度影响更大。

图3 不同温度下示波冲击能量对比分析曲线

现有的研究结果表明[6-8]，裂纹扩展能的大小与缺口处塑性变形的能力有关，材料在断裂前若发生了较大的塑性变形，则裂纹前端的应力集中就会得到缓解，从而使裂纹钝化，扩展减慢或停止。裂纹扩展能与萌生能比值(Wp/Wi)的大小一定程度上反映了材料的韧脆断裂状态。当比值大于1时，即裂纹扩展能大于萌生能，则偏向于韧性断裂；而当比值小于1时，表明裂纹扩展过程消耗的能量小，断裂偏向于脆性，而且比值越小说明脆性的倾向越大。测得的数据也说明了这一点，当温度从20 ℃降至-40 ℃时，Wp/Wi的比值显著降低，也即低温下LZ45CrV试验钢呈现出了更明显的脆性倾向。

图4 LZ45CrV车轴典型冲击试样断口

如图4，断口分析表明， LZ45CrV车轴钢在冲击试验高应变速率条件下，不仅珠光体以解理方式发生断裂，而且绝大部分铁素体，特别是沿奥氏体晶界析出的网状铁素体也呈现脆性解理断裂，纤维区为准解理加韧窝，过渡区为准解理，结晶区为准解理加解理。因此，具有细小奥氏体晶粒的微合金化LZ45CrV钢，由于裂纹扩展阻力增加，不仅提高了断裂时的裂纹形成功，而且也提高了裂纹扩展功，但对冲击值的贡献，主要来自裂纹扩展功的提高。

3 精细结构透镜分析(TEM)

从金相组织照片中能够看到微合金化LZ45CrV车轴晶粒得到了明显细化，而细晶强化是钢铁材料中既能提高强度又能改善韧性的最有效方式，晶粒越小则晶界越多，其阻碍位错运动的能力也就越强，细晶强化效果也就越明显，深入的精细结构分析如图5所示。

图5 LZ45CrV车轴钢透射电镜精细结构

从上述精细结构分析可以看出，微合金车轴钢中的珠光体形态各异，渗碳体既有片状，也有球状；既有长片状，也有短片状；既有有序排列，相互平行的片状，也有无序排列的。形态不同的珠光体可以看作是原来长片状的渗碳体有一部分变态为短片或球状，而另外一部分则由有序排列变为无序排列或形成变态的珠光体。变态珠光体则可以认为是加入微合金化元素和控轧控冷的结果，它对钢的韧性有较大的贡献，而对钢的强度影响不大。调整奥氏体晶粒，并使之细小，是获得细晶粒相变产物的先决条件，细小的奥氏体晶粒，既可以得到细小铁素体晶粒，也可使珠光体团细化，进而使钢的强韧性得到改善[9]。如图所示，在透射电子显微镜下还可以清晰看到微合金化LZ45CrV钢析出相周围的位错存在。

进一步通过能谱分析仪对透射电镜下车轴钢的精细结构组织进行定性分析，如图6所示，可以看出析出相主要含有V、Cr、Mo等合金元素。

图6 LZ45CrV车轴钢析出相透射电镜下能谱分析

4 三维原子探针分析(3DAP)

在前述微观组织结构分析的基础上，进一步采用三维原子探针(3DAP)技术对微合金元素在试验车轴钢中的分布状态进行了分析，如图7所示。3DAP是对不同元素的原子逐个进行分析的一种技术手段，能够给出纳米空间中不同元素原子的分布图形，是目前微观分析精度最高的一种分析技术。

图7 三维原子探针(3DAP)设备

将样品加工成小于0.5 mm的圆形细丝，然后将薄层的电解液注入到较大密度的惰性液体上面，如图8所示，将样品垂直插入进行电解抛光，从而在样品中部出现颈状区，再对颈状区进行更为缓慢的抛光电解，直到下半部分因重力作用而与上半部发生分离以便得到两个针尖状样品[10]。

图8 电解抛光示意图

如图9所示，是微合金化车轴钢在(62×61×213)nm的选定范围内的合金元素三维空间分布状况，从3DAP 分析得到的原子空间分布图中可以看出，在选定的区域内C、Cr、V元素在Fe基体中都呈现出较为一致的偏聚状态，同时也表明，合金元素添加到车轴钢中主要是以纳米级的碳化物形式存在，从而对基体起到了很好的析出强化作用。

图9 LZ45CrV车轴钢中合金元素在三维空间中的分布 (62×61×213)

如图10(a)所示，从图9中所选定的(62×61×213)nm范围内得到的碳化物分布区间内选取(10×10×40)nm大小的柱形区域进一步作各元素在不同空间距离内的原子分布分析，如图10(b)所示，从图中可以看出，在以Fe为基体的钢中，不但C、Cr、V元素原子在空间具有非常相似的偏聚规律，而且在它们相似的分布区域内，各元素原子沿分布平面法线方向不同距离范围内亦呈现出较为一致的分布状态，从而进一步说明Cr、V元素在车轴钢中主要是与C元素结合以碳化物形式存在。

图10 LZ45CrV车轴钢中各元素在选定柱形在选定区域内不同部位原子的分布图

5 物理化学相分析

(1)X射线衍射分析

对试验钢样品进行电解分离，在成分为50 g/L氯化钾+10 g/L柠檬酸的水溶液中，以0.025～0.030 A/cm2的电流密度，在0～50 ℃的温度条件下电解1～2 h。电解后用稀电解液和水洗涤试样上的沉淀析出相数次，并经滤膜过滤干燥得到析出相的沉淀粉末[11]。测得的X-射线衍射分析结果如图11所示。

图11 LZ45CrV车轴钢X-射线衍射测试结果

通过对试样的X-射线衍射分析可以看到，试验用微合金化车轴钢中的析出相主要为V(C, N)，说明V在微合金化车轴钢中主要是形成了碳氮化物。

(2)析出相扫描电镜分析(SEM)

进一步对样品通过分离得到的析出相粉末分别进行扫描电镜下观察分析，如图12所示，从扫描电镜宏观形貌照片中可以看到，得到的析出相粉末细小不一，呈不规则状，同时能谱分析显示主要为含钒的碳化物。

图12 LZ45CrV车轴钢析出相扫描电镜能谱分析

从上述结果可以看出，微合金元素钒在试验钢中主要是与C、N元素结合形成碳氮化物，在奥氏体向铁素体转变的过程中，由于微合金元素在铁素体和奥氏体中的溶解度不同，从而以碳、氮化物的形式沉淀析出，得到大小不一的析出相，起到相应的沉淀强化效果；对于经过正火处理的钢种，析出相可以阻止在正火温度下奥氏体晶粒的长大，最终细化铁素体晶粒，从而通过微合金化来达到试验钢中沉淀强化和细晶强化两种强化方式协调作用的效果，使试验钢达到良好的强度、韧性配合[12-13]。

通过对重载铁路货车用微合金化LZ45CrV车轴钢的综合性能分析，同时从微观角度对内部精细结构、析出相分布特征等进行了观察，结合现有研究结果表明[14-16]，在微合金化车轴钢中，由于先共析铁素体中有沉淀析出相的存在，使得形变呈均匀增加，滑移线为细小均匀的波纹状，而不像一般的平直状，所以较少在铁素体中产生微孔聚合型裂纹。沉淀相的强化效能越高，与珠光体强度的差距越小，形变后很快硬化至珠光体的屈服强度，引起珠光体参与形变。珠光体的断裂是与其形态有关的，粗片状的珠光体一般较易发生剪切型断裂，而细珠光体则可以承受较大的应变而不出现断裂。变态珠光体的共析铁素体基体基本上是连续的，铁素体塑性形变比较容易连续进行，使珠光体的剪切断裂需要在更大的切变量下才能产生微孔的形成、长大和聚合，因此由于变态珠光体的韧性断裂面积有所增大，从而对提高钢的韧性有利。

对于微合金化LZ45CrV非调质车轴钢，在保持珠光体体积分数适当的情况下，使组织均匀细化，适当降低碳含量，提高先共析铁素体的数量，缩小珠光体片层间距，并优化析出相的沉淀强化效应，能够有效提高钢的强韧性。

6 结 论

(1)LZ45CrV车轴综合性能优良，抗拉强度不小于700 MPa，屈服也在400 MPa以上；动态示波冲击研究显示，具有细小奥氏体晶粒的微合金化LZ45CrV钢，由于裂纹扩展阻力的增加，不仅提高了断裂时的裂纹形成功，而且也提高了裂纹扩展功，但对冲击值的贡献，主要来自裂纹扩展功的提高。

(2)LZ45CrV钢珠光体片层形态多样，在渗碳体周围以及片层间的铁素体上有细小弥散的析出相分布；在更高倍数下，从析出相的明暗场像可以看到第二相粒子尺寸大约在几十到一百纳米大小左右。

(3)通过三维原子探针分析微合金化车轴钢在选定范围内的合金元素原子三维空间分布状况显示，C、Cr、V元素在Fe基体中都呈现出较为一致的偏聚状态，同时也表明，合金元素添加到车轴钢中主要是以纳米级的碳化物形式存在，从而对基体起到了很好的析出强化作用。

(4)采用物理化学相分析的方法对试验车轴钢进行了定性、定量的研究，从而对析出相的形貌、分布、成分、结构以及质量分数都有了一个更为全面的认识。