摘要: 采用光学显微镜、扫描电镜、硬度计、冲击试验机、万能拉伸试验机研究了 U75V 重轨钢轧态及淬火冷速为 3 ℃ /s 和 5 ℃ /s 条件下的微观组织、力学性能及断口形貌。结果表明: 随着淬火冷速的增加，U75V 钢的晶粒逐渐细化，珠光体片层间距减小，其中，轧态 U75V 钢的晶粒和片层间距最大，而 5 ℃ /s 淬火冷速的 U75V 钢晶粒和片层间距最小; 随着淬火冷速的增加，U75V 钢的冲击吸收能量、硬度等综合力学性能增加。其中，轧态 U75V 钢轨的冲击吸收能量、硬度及抗拉强度最小，而 5 ℃ /s 淬火冷速的 U75V 钢冲击吸收能量、硬度最优且抗拉强度较好。
关键词: U75V 重轨钢; 淬火; 组织; 力学性能
U75V 重轨钢是当前应用较广泛的钢轨之一，其力学性能的好坏直接影响列车的行驶安全[1]。通过优化淬火工艺得到细片状珠光体组织已被证实是提高钢轨力学性能的有效途径，近几年成为一个研究热点。董华利[2]认为 U78CrV 钢轨进行在线热处理后具有较好的综合性能。李闯[3]通过对 U75V 钢轨热处理工艺的研究，认为在线热处理可提高 U75V 钢轨的硬度。刘懿乐等[4]采用在线连续冷却的热处理工艺对 U75V 钢轨组织和性能进行了研究，发现在线连续冷却热处理工艺可以细化珠光体片层间距，从而提高钢轨性能。李波等[5]采用余热淬火工艺对 U75V 钢轨进行了性能的优化改善。黄进科等[6]还模拟研究了不同温度范围的余热淬火温度场，并确定了钢轨不同部位的最佳冷速范围。王晓丽等[7]通过改变轧制工艺来减小钢轨中珠光体片层间距的大小，从而提高钢轨的力学性能。
为了揭示淬火冷速对 U75V 重轨钢组织、片层间距与冲击性能/拉伸性能的影响，本文研究了 U75V 重轨钢在不同冷速热处理后的组织，以及组织的演变对其力学性能的影响。图 2 不同冷速下 U75V 钢的显微组织 ( a) 轧态; ( b) 3 ℃ /s 淬火冷却; ( c) 5 ℃ /s 淬火冷却 Fig. 2 Microstructure of the U75V steel at different cooling rates ( a) as rolled; ( b) quenched at 3 ℃ /s; ( c) quenched at 5 ℃ /s
1 试验材料及方法
试验材料为 U75V 重轨钢，成分如表 1 所示，共 3 种试样如表2 所示，一种为轧态( 某轨梁厂轧制后 900 ℃ 在线缓慢冷却) ，另外两种是在实验室加热到 900 ℃，然后以 3 ℃ /s 和 5 ℃ /s 的冷速进行喷气淬火，淬火过程中采用 FLIR T610 红外温度测试仪进行温度检测和采集[8-9]。在轨头线切割取样，其中冲击试样尺寸如图 1( a) 所示，拉伸试样尺寸如图 1( b) 所示。采用下臂摆锤冲击试验机对 3 种试样进行冲击。采 用 GNT200 电子式万能试验机测试拉伸性能，设定万能试验机拉伸速度为0. 6 mm /min，初载为500 N，通过对比拉伸得到的抗拉强度值，分析不同冷速对 U75V 钢轨性能的影响。采用蔡司光学显微镜观察组织，采用QUANTA-400 型扫描电镜观察试样片层间距，最后采用 HV-30 硬度计测量硬度。
2 试验结果分析与讨论
2. 1 微观组织分析
图 2 是不同冷速条件下，U75V 重轨钢的微观组织，由图 2 可以观察到在同等放大倍数下，经过不同冷速淬火的试样的晶粒远比轧态试样组织细小。其中， 5 ℃ /s冷速下，淬火试样晶粒最细小。图 3 是不同冷速下的扫描电镜结果，可以看出，经过淬火处理的试样珠光体片层间距比轧态试样片层间距小。由于珠光体的裂纹扩展形式主要以穿晶断裂为主[10-12]，且裂纹的扩展需要能量，密集的晶界以及片层间距小的珠光体片层会增加裂纹扩展的能量，从而使试样更难形成裂纹。5 ℃ /s 冷速试样珠光体片层间距最小，且相同放大倍数下珠光体片层有不同的走向。当试样受到冲击时，片层间距不同的珠光体对试样的抗冲击性能起到重要作用。试样珠光体间距小，使其变形、断裂的能量就会增加，试样也更难产生形变和裂纹。因此，经淬火处理后，U75V 重轨钢的力学性能得到提高。图 4 不同冷速下 U75V 钢的冲击断口形貌 ( a) 轧态; ( b) 3 ℃ /s 淬火冷却; ( c) 5 ℃ /s 淬火冷却 Fig. 4 Impact fracture morphologies of the U75V steel at different cooling rates ( a) as rolled; ( b) quenched at 3 ℃ /s; ( c) quenched at 5 ℃ /s
2. 2 性能分析
冲击试验结果如表 3 所示。由表 3 可知，经 5 ℃ /s 冷速淬火处理试样的抗冲击性能远超其它两种试样，其中轧态试样抗冲击性能最低，3 ℃ /s 冷速淬火处理的试样居中。可见，随着淬火冷速的加快，冲击吸收能量增加。冲击断口形貌如图 4 所示，相比于其他两种热处理试样，5 ℃ /s 冷速淬火试样的断面更加平整，且扩展区面积最大。
由表 3 还可见，随淬火冷速的增加，U75V 钢的硬度增大，轧态硬度仅为 281 HV3，而经过 5 ℃ /s 冷速淬火处理试样的硬度达到 348 HV3，硬度最高，说明淬火工艺可以显著提高钢轨的表面硬度。
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3 种淬火冷速条件下，U75V 钢的拉伸位移曲线如图 5 所示。由图 5 可知，经 5 ℃ /s 冷速淬火处理的试样拉伸位移最长，且拥有较高的抗拉强度，并且抗拉强度与3 ℃ /s 淬火处理的试样相近，而经过 3 ℃ /s冷速淬火处理试样的拉伸位移远没有 5 ℃ /s 淬火处理的试样长。三者中，轧态拉伸试样表现的抗拉力学性能不及其他两种拉伸试样。由此可以推断，淬火对 U75V 钢的力学性能有显著影响，且 5 ℃ /s 冷速淬火处理试样的综合力学性能最优。
3 结论
1) 随着淬火冷速的增加，U75V 钢的组织更加细化，U75V 钢中珠光体片层间距减小，其中，轧态 U75V 钢轨的组织和片层间距最大，而 5 ℃ /s 淬火冷速处理 U75V 钢的组织和片层间距最小。
2) 随着淬火冷速的增加，U75V 钢的冲击吸收能量、硬度及抗拉强度增加。其中，轧态 U75V 钢的冲击吸收能量、硬度及抗拉强度最小，而 5 ℃ /s 淬火冷速处理 U75V 钢的冲击吸收能量、硬度及抗拉强度最优。——论文作者：马 潇，岑耀东，陈 林，吴茂文
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