貝氏體鋼軌超高周疲勞行為的研究課件

1、貝氏體鋼軌超高周疲勞行為的研究貝氏體鋼軌超高周疲勞行為的研究團(tuán)隊(duì)介紹軌道交通高性能金屬材料 主要包括新型貝氏體鋼的成分及組織設(shè)計(jì)，相變機(jī)理，強(qiáng)韌化機(jī)制，“成分-工藝-組織-性能”關(guān)系的數(shù)學(xué)及物理模擬；貝氏體鋼軌、車輪、車軸等軌道交通用高性能金屬材料及新工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用。 貝氏體鋼 組織及性能調(diào)控 研究貝氏體鋼新型熱處理工藝的精細(xì)化，結(jié)合Thermal-Calc、有限元模擬、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模，實(shí)現(xiàn)復(fù)相組織調(diào)控的精細(xì)控制，完成超大尺寸及復(fù)雜零部件的成分-組織-性能均勻化處理。 基礎(chǔ)零部件的服役與失效分析 研究汽車、交通、能源、機(jī)械等領(lǐng)域基礎(chǔ)零部件（如彈簧、螺栓、軸、緊固件等）的服役性能，特別

2、是疲勞性能、延遲斷裂、腐蝕、磨損等性能，對(duì)典型零部件的失效機(jī)理進(jìn)行分析。團(tuán)隊(duì)介紹軌道交通高性能金屬材料 貝氏體鋼的由來20世紀(jì)20年代，Robertson首先發(fā)現(xiàn)鋼的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，隨后Bain等人對(duì)這種組織進(jìn)行了大量細(xì)致的研究，直到1934年“貝氏體”術(shù)語(yǔ)的提出。貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍界于珠光體與馬氏體之間，相應(yīng)地貝氏體組織兼?zhèn)淞烁邷剞D(zhuǎn)變產(chǎn)物的塑韌性和低溫轉(zhuǎn)變的強(qiáng)度，具有良好的強(qiáng)韌性配合，從而引起人們的極大關(guān)注。20世紀(jì)50年代末期，英國(guó)的Irvine和 Pickering等人率先發(fā)明了Mo-B系貝氏體鋼。20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)方鴻生等人發(fā)明了Mn系貝氏體鋼。這是目前世界上兩大系列貝氏體鋼。

3、貝氏體鋼的由來20世紀(jì)20年代，Robertson首先發(fā)現(xiàn)鋼Mn系貝氏體鋼的發(fā)展歷程1970s-2000s：空冷貝氏體鋼，采用Mn-B為主要合金元素，提高貝氏體淬透性，熱處理工藝簡(jiǎn)單。2000s：水淬貝氏體鋼，采用Mn-Si-Cr的合金體系，減少合金添加，節(jié)約成本，提高焊接性能，并適用于大尺寸構(gòu)件。2010s：貝氏體鋼的新發(fā)展，結(jié)合BQ&P和TMCP等新型熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)貝氏體鋼綜合性能的改善。Mn系貝氏體鋼的發(fā)展歷程1970s-2000s：空冷貝氏體鋼Mn系空冷貝氏體鋼R R R/APAB常見的TTT曲線Mn元素富集因子與相應(yīng)的TTT曲線Mn系空冷貝氏體鋼R R Mn系空冷貝氏體鋼的發(fā)展經(jīng)過

4、40余年的發(fā)展，Mn系空冷貝氏體鋼發(fā)展了以下系列：低碳粒狀貝氏體鋼低碳仿晶界鐵素體/粒狀貝氏體復(fù)相鋼無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼中碳及中高碳貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼貝氏體耐磨鑄鋼Mn系空冷貝氏體鋼的發(fā)展經(jīng)過40余年的發(fā)展，Mn系空冷貝氏體Mn系空冷貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)高的貝氏體淬透性，有利于在大尺寸構(gòu)件中獲得足夠含量的貝氏體組織；合金設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主要以Mn、Si、Cr為主要合金元素，合金成本低；發(fā)展了從超低碳到中高碳的Mn系空冷貝氏體鋼系列，擴(kuò)大了貝氏體鋼在機(jī)械工程材料的應(yīng)用領(lǐng)域。Mn系空冷貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)高的貝氏體淬透性，有利于在大尺寸構(gòu)件第二代Mn系貝氏體鋼為了進(jìn)一步降低合金成本，同時(shí)響應(yīng)我國(guó)的大型設(shè)備

5、構(gòu)件國(guó)產(chǎn)化的需求，21世紀(jì)初，白秉哲、方鴻生等人在Mn系空冷貝氏體鋼的基礎(chǔ)上，通過合理的合金設(shè)計(jì)，研制成功了第二代Mn系貝氏體鋼淬火貝氏體鋼。通過合理的合金設(shè)計(jì)，利用Mn對(duì)貝氏體形成的有利作用，可以在很大的冷速范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。第二代Mn系貝氏體鋼為了進(jìn)一步降低合金成本，同時(shí)響應(yīng)我國(guó)的大水淬貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)減少合金添加，節(jié)約成本，提高焊接性能；適用于大尺寸構(gòu)件，在達(dá)到相同強(qiáng)度水平下，圓柱體水淬硬化尺寸約為空冷的6-7倍以上；主要研究低碳區(qū)（0.04-0.25wt.%），可獲得強(qiáng)度級(jí)別在800-2000MPa級(jí)別的低合金高強(qiáng)度鋼。圖示水淬FZB6及水淬27SiMn在300mm圓柱截面上的硬度分

6、布水淬貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)減少合金添加，節(jié)約成本，提高焊接性能；圖示Mn系貝氏體鋼的新發(fā)展隨著我國(guó)冶金設(shè)備的發(fā)展，以TMCP為代表的控冷工藝逐漸可以得到實(shí)現(xiàn)；同時(shí)采用納米貝氏體、Q&P等新型熱處理工藝，促進(jìn)Mn系貝氏體鋼的進(jìn)一步發(fā)展。貝氏體馬氏體奧氏體貝氏體/馬氏體/奧氏體奧氏體化控制冷卻分配回火Mn系貝氏體鋼的新發(fā)展隨著我國(guó)冶金設(shè)備的發(fā)展，以TMCP為代通過BQ&P處理，獲得了具有貝氏體/馬氏體/殘余奧氏體的復(fù)相組織，殘余奧氏體呈現(xiàn)亞微米級(jí)和納米級(jí)，具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有利于改善塑性和韌性。0.4C-MnSiCrActa Materialia 76 (2014) 425433通過BQ&

7、P處理，獲得了具有貝氏體/馬氏體/殘余奧氏體的復(fù)相0.2C-MnSiCrMoVQ200P280RmMPa1414Rp0.2MPa1061A%16.5AKV20AKV-40AKV-60114.8J47.3J43.8J良好的強(qiáng)韌性匹配：抗拉強(qiáng)度：1400MPa沖擊韌性：Akv：100J0.2C-MnSiCrMoVQ200P280RmRp0.2A對(duì)新型高強(qiáng)韌1500MPa級(jí)別貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼具有良好的超高周疲勞性能，疲勞壽命周次達(dá)到10E9，疲勞壽命在750MPa以上。隨著我國(guó)高速列車的快速發(fā)展，對(duì)鋼軌、車輪、車軸等列車部件的疲勞壽命要求通常要達(dá)到10E8周次以上，有的甚至到10E11周次。對(duì)新

8、型高強(qiáng)韌1500MPa級(jí)別貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼具有良好的新型高強(qiáng)韌貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)例如將BQ&P工藝引入Mn系貝氏體鋼，其優(yōu)勢(shì)在于（1）克服了傳統(tǒng)Q&P工藝快速淬火及短時(shí)間配分等缺點(diǎn)，采用空冷+長(zhǎng)時(shí)間配分。（2）保證高強(qiáng)度的同時(shí)，可以獲得良好的塑性和韌性。BQ&P新型高強(qiáng)韌貝氏體鋼的優(yōu)勢(shì)例如將BQ&P工藝引入Mn系貝氏體鋼Mn系貝氏體鋼的應(yīng)用Mn系貝氏體鋼的應(yīng)用Mn系貝氏體鋼在鐵路上的應(yīng)用傳統(tǒng)珠光體輪軌材料不足 強(qiáng)度、耐磨性已近珠光體鋼極限 高強(qiáng)度高耐磨難以兼顧高塑韌性 難以滿足高速重載長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求貝氏體組織潛在優(yōu)點(diǎn) 強(qiáng)度和耐磨性提高潛力大（達(dá)2000MPa） 沖擊韌性ak和斷裂韌性KIC明顯提

9、高 焊接性、冷加工性優(yōu)良 (C%:珠光體鋼0.5-0.6 貝氏體鋼 0.1-0.3) 低溫性能（-40/-60）提高明顯Rm（MPa）Ak(J/cm2)KIC（MPa*m1/2）珠光體鋼軌900 1117熱處理珠光體軌120051; Ak60J，已供貨千余噸，萬件以上Mn系貝氏體鋼在礦山機(jī)械上的應(yīng)用*系列混凝土泵車貝鋼管件：Mn系貝氏體鋼在礦山機(jī)械上的應(yīng)用開發(fā)高強(qiáng)韌貝氏體重型釬桿，代替18CrNi4Mo。實(shí)物的抗拉強(qiáng)度1400MPa級(jí)別，V型沖擊達(dá)到80J以上?？估瓘?qiáng)度Rm規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp斷后伸長(zhǎng)率A沖擊值A(chǔ)KVMPaMPa%J1481116615.576 1.71488117615.38

10、32Mn系貝氏體鋼在礦山機(jī)械上的應(yīng)用開發(fā)高強(qiáng)韌貝氏體重型釬桿，代貝氏體塑料模具鋼 塑料模具鋼在太原鋼鐵公司工業(yè)生產(chǎn)，20250mm厚模具鋼板軋后空冷自硬，硬度達(dá)到30HRC，板各部分硬度差在3HRC之內(nèi)，強(qiáng)韌性優(yōu)異，成本低廉，不包括節(jié)約熱處理費(fèi)用，僅在合金成分上與P20比較降低約800元/噸，比718鋼降約2800元/噸。 貝氏體塑料模具鋼 塑料模具鋼在太原鋼鐵公司工業(yè)生產(chǎn)，202貝氏體超高強(qiáng)建筑鋼筋 與冶金建筑研究院國(guó)家建筑鋼材監(jiān)督檢測(cè)中心及天津天鐵集團(tuán)軋二制鋼有限公司合作，研制屈服強(qiáng)度為930MPa的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，已經(jīng)應(yīng)用于鄭州黃河大橋、廣東九江大橋、廣西悟州潯江大橋、四川紫坪鋪水電站

11、、廣東廣深沿江高速公路、貴州鎮(zhèn)勝高速等重要建設(shè)工程。目前與河北鋼鐵承德鋼廠合作研制的V微合金化830MPa精軋螺紋鋼筋也已經(jīng)獲得應(yīng)用。規(guī)格mm0.2MPabMPa5%2597112701225971124493295713871032935130511貝氏體超高強(qiáng)建筑鋼筋 與冶金建筑研究院國(guó)家建筑鋼材監(jiān)督檢測(cè)中小結(jié)經(jīng)過40余年的發(fā)展，本團(tuán)隊(duì)對(duì)貝氏體鋼的相變基礎(chǔ)、合金設(shè)計(jì)、組織設(shè)計(jì)和強(qiáng)韌化機(jī)制方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為先進(jìn)鋼鐵材料的設(shè)計(jì)和強(qiáng)韌化機(jī)制提供了大量的研究數(shù)據(jù)。同時(shí)發(fā)展了多個(gè)系列的貝氏體鋼產(chǎn)品，應(yīng)用到汽車、能源、鐵路、建筑、礦山、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。本團(tuán)隊(duì)自2011年在北京交通大學(xué)建立軌道交通貝氏體鋼研究中心，旨在推動(dòng)貝氏體鋼在鐵路上的應(yīng)用，