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铁道道岔用贝氏体钢的组织形态与冲击韧性的关系
贾植红 曹泉波
(中国第二重型机械集团公司，四川618013)
摘 要：通过金相分析、性能和热处理试验，研究了铁道道岔用AB-2贝氏体钢的组织形态对冲击韧
性的影响。本文提出，保证AB-2钢最佳性能的组织状态应为上贝氏体+极少量粒状贝氏体，并相应采用
270～370℃等温热处理工艺。
关键词：贝氏体钢；组织形态；冲击韧性；等温热处理
1 前言
AB-2钢主要用于铁道道岔，它在工作条件下要承受小能量冲击疲劳载荷。而工件的小能量冲击疲劳寿命主要决定于材料的冲击韧性值，因此冲击韧性是最重要的材料性能指标。AB-2钢是非调质型贝氏体钢，其性能必须用贝氏体组织保证。
2 试验方法
2.1 试样
采用同一熔炼炉号的12mm×12mm×25mm冲击试样毛坯，在与工件同炉热处理的110mm×100mm×(60～80)mm的性能试块表面上取样。试验中共取6个熔炼炉号。
2.2 热处理工艺
试验工艺：试样随炉升温到920℃，保温1.5h，空冷至设定等温温度，等温2h后再空冷。生产工艺：工件与试块同炉升温至930℃，均温后保温1.5h，出炉鼓风冷却20min，再继续空冷到300℃以下，转入330℃等温炉内，等温10h后空冷，然后使用扫描电子显微镜分析冲击试样断口微观形貌。
3 试验结果
3.1 冲击韧性
试样冲击韧性与等温温度的关系见图1.试样在270～370℃等温处理后冲击韧性较高，在其它温度下等温处理后则冲击韧性较低。生产试样的冲击值见表1，从表1可看出2000-18-1试样和2000-62试样的冲击值较低，其余试样的冲击值都较高。
图1 等温温度与冲击韧性的关系
图2 等温温度与硬度关系曲线
3.2 硬度
等温试验试样的硬度见图2.300～400℃的等温试样硬度值较高，其它温度的等温试样硬度值较低。在冲击值较高的等温温度下进行处理，试样的硬度值也较高。
3.3 组织状态
3.3.1 等温试验试样
不同温度下等温试样的组织见表2和图3、图4。由此可知，等温试验试样的特点是：第一，上贝氏体数量最多而无马氏体的试样冲击值最高；第二，马氏体比例大的试样冲击值最低；第三，所有试样均有粒状贝氏体。
图3 300℃ ×500
图4 500℃ ×500
图5 2000-18-1 ×500
图6 2000-18-3 ×500
3.3.2 生产检验试样
生产试样的组织见表1和图5、图6。性能与组织之间的关系也有同样规律：第一，上贝氏体数量最多的试样冲击值最高；第二，组织中存在下贝氏体的试样冲击值最低；第三，所有试样均有粒状贝氏体。
3.4 断口形貌
等温试验试样的显微断口形貌见表2和图7、图8。生产试样的显微断口形貌见表1和图9、图10。可以看出，显微断裂形式都是准解理或准解理+韧窝。凡是冲击值低的试样，其显微断裂机制都是细韧窝。
图7 300℃ ×490
图8 500℃ ×490
图9 2000-18-1 ×490
图10 2000-18-3 ×490
4 讨论
4.1 AB-2钢道岔的最佳组织状态
试验结果指出，当AB-2钢具有上贝氏体和极少量的粒状贝氏体时，冲击韧性高，硬度高，钢的塑韧性好，强度高，是AB-2钢的最佳组织状态。如果AB-2钢存在上贝氏体组织的同时，还存在过多粒状贝氏体，或存在马氏体+下贝氏体，则钢的冲击韧性低，硬度也低，钢的综合性能较差。所以不应允许存在除上贝氏体以外的组织成分。
这就存在明显的矛盾：第一，当上贝氏体组织中存在马氏体+下贝氏体时，钢的硬度应该提高，但钢的硬度反而降低了；第二，AB-2钢中存在上贝氏体组织时，冲击断口是准解理，或准解理+韧窝；但是，当AB-2钢的组织是以上贝氏体为主，同时存在马氏体+下贝氏体成分时，冲击断口应当是脆性更大的准解理，但恰恰相反，而出现韧性断口。因而可以这样推测：上贝氏体是等温转变产物，其重要特点是转变的不完全性。在等温温度下，绝大部分体积已转变成上贝氏体，但仍有一些空隙部分未转变。等温完毕并空冷，这部分体积即发生马氏体转变，且残余部分未转变奥氏体。如果奥氏体比例大，虽然产生了部分马氏体，钢的硬度也难以提高，其冲击试样也会沿残余奥氏体断裂而形成韧性断口。这就是说，等温热处理必须选择合适的温度和足够长的保温时间，以最大可能地保证上贝氏体的转变量，将残余奥氏体体积比例减到最小程度。
试验结果表明，所有试验的试样都存在粒状贝氏体。如粒状贝氏体比例过大，会导致AB-2钢的综合性能大幅度下降。当粒状贝氏体组织数量少时，对钢的性能影响不大。如粒状贝氏体数量多，则对钢的性能产生负面影响。
粒状贝氏体的组织转变很复杂，其转变温度区间高于上贝氏体，这是一个很重要的概念。转变开始，从奥氏体中析出块状或棒状铁素体，在这些铁素体内部或边界上，存在细颗粒状未转变的奥氏体，随着温度继续降低，这些颗粒状奥氏体在不同的冷却速度下可以转变成上贝氏体、下贝氏体或马氏体。因此，粒状贝氏体的性能是不确定的。在本试验条件下，所采用的热处理工艺中考虑了尽可能地减少粒状贝氏体数量。
最后还应提及一件事情，生产件中2000-18-1试样的ak值为39J/cm2，但组织是正常的上贝氏体，冲击断口也是正常的准解理断裂。因此，造成2000-18-1试样冲击韧性低的原因，很可能是其它偶然因素。
4.2 道岔的最佳热处理工艺
保证AB-2钢最佳性能的组织是上贝氏体+极少量的粒状贝氏体。上贝氏体是等温转变产物，要得到它必须采用等温热处理。从图1、2可以看出，等温温度以270～370℃为宜，等温时间应大于2h。
尤其应特别指出，AB-2钢道岔不能使用正火(风冷+空冷)+回火工艺。其原因为：第一，正火属连续冷却，不可能得到均一的上贝氏体组织；第二，回火过程中，残余奥氏体将继续产生马氏体转变，钢的冲击韧性将大幅下降。
5 结论
保证AB-2钢道岔最佳性能的组织是上贝氏体+极少量的粒状贝氏体。制造时应采用等温热处理工艺，等温温度270～370℃，等温时间大于2h为宜。
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