国产EA4T车轴钢的显微组织与强韧性研究
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图 １ 为不同部位的 ＪＲ 阻力曲线， 表 ３ 为不同 部位的 Ｊ０．２ 和 ＫＩＣ值。结合图 １ 和表 ３ 可以看出 ， 近
０．２２ 表面
０．２０
０．１８
ＪＲ ／ＭＰａ
０．１６
０．１４
０．１２
０．１０ Ｒ／２ 处
０．０８
０．０６ ０．１ ０．２
０．３ ０．４ ０．５
裂纹扩展量 Δａ／ｍｍ
图 １ 不同部位的 ＪＲ 阻力曲线
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ＪＲ ｃｕｒｖｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ
表 ３ 不同部位的 Ｊ １ｃ 和 Ｋ１ｃ 值 Ｔａｂ． ３ Ｔｈｅ Ｊ ０．２ ａｎｄ Ｋ１ｃ ｖａｌｕｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ
部位 近表面 Ｒ／２ 处
Ｊ０．２ ／（ＭＰａ·ｍ） ０．１０５ ０．０６７３
采用 ＰＭＧ３ 型 Ｏｌｍｐｕｓ 金相显微镜观察显微 组 织 ， ＫＹＫＹ２８００Ｂ 型 扫 描 电 镜 观 察 断 口 形 貌 和 剖面金相组织。
２ 实验结果与分析
２．１ 常规力学性能分析
在 轴 的 表 层 、Ｒ／２ 处 以 及 心 部 按 纵 向 和 横 向
取样进行冲击性能和拉伸性能试验， 结果见表 １
换算的 Ｋ１ｃ ／（ＭＰａ·ｍ１／２） １４９ １１９
表 面 处 的 Ｊ０．２＝ ０．１０５ ＭＰａ·ｍ、Ｋ１Ｃ＝ １４９ ＭＰａ·ｍ１／２， 且阻力曲线斜率较大， 起裂点较高； Ｒ／２ 处的 Ｊ０．２＝ ０．０６７３ ＭＰａ·ｍ， Ｋ１Ｃ＝ １１９ ＭＰａ·ｍ１／２， 且 阻 力 曲 线 斜 率较小， 起裂点较低。Ｊ０．２ 值结果表明， 近表面的断 裂韧性值明显高于 Ｒ／２ 处。对 ７００ ＭＰａ 强度水平 来讲， 这个断裂韧性值较低。 ２．３ 材料质量分析 ２．３．１ 显微组织分析
《热加工工艺》２００８ 年第 ３７ 卷第 １６ 期
２３
材料热处理技术 Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
２００８ 年 ８ 月
扩展量后停机， 用二次疲劳法， 使稳定裂纹扩展区 留印后压断。试验在常温下进行。压断试样后， 用 工 具 显 微 镜 测 量 裂 纹 长 度 ａ 和 裂 纹 扩 展 量 Δａ （Δａ≤０．５ ｍｍ）。
该材料各个状态的回归方程分别是： 近表面 ＪＲ ＝ ０．０３５６ ＋ ０．３５Δａ ±０．００５３ ， Ｒ／２ 处 ＪＲ ＝０．０６１３＋ ０．０３Δａ ±０．０２７６。取 Δａ ＝０．２ ｍｍ 处所对应的 ＪＲ 值 作为断裂韧性 Ｊ１Ｃ 的值。临界 Ｊ 积分值与 Ｋ１Ｃ 关系 得到 Ｋ１Ｃ＝４６０ #Ｊ１Ｃ （ＭＰａ·ｍ１／２）。
ＨＲＣ（平均值） ２４ １９ １３ ２５ ２０ １９
表 ２ ＥＡ４Ｔ 钢的拉伸性能 Ｔａｂ． ２ Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
取样
Ｆ
Ｌ０
Ｌ１
Ｄ０
Ｄ１ δ（％） Ψ（％） σｓ
σｂ
部位 ／ｋＮ ／ｍｍ ／ｍｍ ／ｍｍ ／ｍｍ
／ＭＰａ ／ＭＰａ
表面 ６２．６５ ５０．００ ５５．２６ １０．０７ ６．６８ １０．５２ ５６．００ ５７０．０ ７８１．９
冲击试验在 ＪＢ－３０Ａ 型摆锤式冲击试验机上 进行， 采用夏比 Ｕ 型冲击试样（Ｕ 型缺口）， 冲击样 坯的切取按照 ＧＢ／Ｔ２９７５ 的规定执行； 试验在常 温 下 进 行 ； 分 别 在 车 轴 的 中 心 、Ｒ／２ 及 表 面 处 取 横、纵向样。
拉伸试验在 Ｉｎｓｔｒｏｎ８５０１ 试验机上进行测定， 采用 !１０ ｍｍ 标准拉伸试样， 根据 ＧＢ／Ｔ２２８－２００２ 进行室温拉伸试验。试样原始标距 Ｌ０ 取 ５０ ｍｍ， 试验在常温下进行。测定的室温拉伸性能包括抗 拉强度（σｂ）、屈服 强度（σｓ）、伸长 率（δ）及断 面 收 缩 率（ψ）。
Ｒ／２ ５６．４６ ５０．００ ５７．４２ １０．００ ６．５２ １４．８４ ５７．４９ ５６０．２ ７２６．１
心部 ５６．３０ ５０．００ ５８．４５ １０．０１ ７．２２ １６．９ ４７．９８ ５５０．５ ７１３．９
由表 １ 可看出， 试样的纵向 Ｒ／２ 处及所有横 向处的值都偏低。由于缺口深度为 ５ ｍｍ， 与 ２ ｍｍ 比较弹塑性变形区减少， 吸收的能量就相应减 少。 根据西门子 ＥＮ１３２６１ 标准上述冲 击值均小 于标准值。
下半月出版
Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 材料热处理技术
国产 ＥＡ４Ｔ 车轴钢的显微组织与强韧性研究
梁益龙 １， ２， 王 新 １， ２， 孟 阳 １， ２， 王筑生 ３， 张春红 ３ （１． 贵 州 大 学 材 料 科 学 与 冶 金 工 程 学 院， 贵 州 贵 阳 ５５０００３； ２． 贵 州 省 材 料 结 构 与 强 度 重 点 实 验 室， 贵 州 贵 阳 ５５０００３； ３． 贵阳特殊钢有限责任公司， 贵州 贵阳 ５５０００５）
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ａｘｌｅｓ ｓｔｅｅｌ； ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｏｂｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ； ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
铁路机车中的车辆车轴是一个十分重要的构 件， 车轴在运行中如发生断裂将造成脱轨、翻车 等重大恶性事故， 因此世界各国对提高车轴的可 靠性均十分重视［１］。随着我国铁道车辆 的提速加 载， 原 ４０ 钢、５０ 钢已不适宜作为高速、重载机车 车轴用钢， 而是引进德国西门子技术、采用力学 性 能 更 优 异 的 ＥＡ４Ｔ 钢 ［２］。 为 更 好 地 引 进 消 化 ＥＡ４Ｔ 钢， 并在此基础上有所创新， 本文对实验用 国产化 ＥＡ４Ｔ 钢热处理后的显微组织、冲击、断裂 等力学性能进行了研究， 探讨了影响该钢强韧性 的主要因素， 由此提出了改进方法和措施。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｘｌｅｓ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＳＥＭ ａｎｄ ＴＥＭ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｍｎ ａｎｄ Ｃｒ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ． Ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｍａｓｓｉｖｅ ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｆｅｒｒｉｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｕａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｌｏｎｇ ｃｅｎｔｒｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｌｅａｖａｇｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｅｎａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ．
对 从 车 轴 钢 不 同 部 位（表 面 、Ｒ／２、心 部）截 取 的纵向和横向试样进行光学金相分析， 其显微组 织形态见图 ２。可看出， 表层显微组织全部为条状 马氏体和回火索氏体， 但在 Ｒ／２ 处开始明显出现 块状铁素体和回火贝氏体组织， 随离表层距离增 加， 铁素体块尺寸逐渐增大、数量增多 ， 到心部形 成大块状铁素体组织。整个轴存在回火索氏体、 部分高温回火贝氏体以及先共析块状铁素体组 织。按照西门子技术条件在车轴整个截面上、表层 和 Ｒ／２ 部位的显微组织应以高温回火贝氏体＋高 温回火马氏体才能保证车轴的强韧性达到技术标 准。采用直线截点法测定原奥氏体晶粒度得出： Ｒ／２ 处的晶粒度级别为 ６．５ 级 ， 近表面晶粒度级 别为 ６．８ 级。显然对要求高强韧性和疲劳寿命的 车轴钢而言，原奥氏体晶粒尺寸在 ６．５～６．８ 级， 较 为粗大， 对强韧性会有较大影响。 ２．３．２ 断口形貌及与显微组织关系分析
共析铁素体， 并沿心部逐渐增多， 这是引起材料解理开裂而降低韧性和塑性的主要原因。
关键词： 车轴钢； 显微组织； 强韧性； 断裂机理
中图分类号： ＴＧ１４２．４１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００８）１６－００２３－０３
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｍｉｃｒ ｏｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ａｎｄ Ｏｂｄｕｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ａｘｌｅｓ Ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
度 与 断 裂 及 其 新 材 料 、新 工 艺 的 研 究 开 发 工 作； 电话：１３１５８０３９８９８； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉｎｑｕｉｋ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
０．５３Ｍｎ， ０．０１１Ｐ， ０．０１８Ｓ， １．０２Ｃｒ， ０．２２Ｍｏ， ０．１１Ｎｉ， ０．１５Ｃｕ。 该钢冶炼成铸锭后， 先锻造 成 !２８０ ｍｍ 的棒材， 再经 ９００ ℃淬火＋高温回火的调质热处理 后， 在轴的不同部位取样进行力学性能试样加工。 １．２ 实验方法
（１） 断 裂 韧 性 断 口 分 析 将 Ｒ／２ 处断裂韧性 试样断口在扫描电镜下进行观察， 结果见图 ３。
２４
Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．１６
下半月出版
（ａ）表 面
（ｂ）Ｒ／２ 处
Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 材料热处理技术
（ｃ）心 部
２０μｍ
２０μｍ
图 ２ 从表面到心部纵向光学显微组织 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ ｍｉｄ－ｒａｄｉｕｓ
（ａ）
２０μｍ
（ａ） 裂纹扩展量 ＜０．５ ｍｍ
（ｂ）
和表 ２。
表 １ ＥＡ４Ｔ 钢的冲击韧度值
Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
试样状态
近表面 Ｒ／２ 心部 近表面 Ｒ／２ 心部 （纵） （纵） （纵） （横） （横） （横）
冲击吸收功 ＡＫＵ／Ｊ ５５￣５７ ３４￣３７ ５１￣５４ １９￣２３ ２０￣２３ ２０￣２２
摘 要： 采用扫描电镜、金相显微镜等试验手 段 对 试 验 用 国 产 化 ＥＡ４Ｔ 车 轴 钢 的 显 微 组 织 、断 裂 韧 性 及 断 口
形貌进行观察分析， 力学性能测试结果表明 ： 该 钢 Ｍｎ、Ｃｒ 含 量 偏 低 ， 导 致 车 轴 钢 淬 透 性 较 差 ； 材 料 中 出 现 块 状 先
断 裂 韧 性 试 验 根 据 国 标 ＧＢ／Ｔ２０３８ 在 ＣＳＳ－２８０Ｓ－２００ＫＮ 型电液伺服疲劳试验机上进行。 预制疲劳裂纹阶段， 采用恒幅载荷条件、正弦波， 其 应力比 Ｒ＝－ １， 载荷水平 Ｆ＝２０ ｋＮ ， 频率 ｆ＝２０ Ｈｚ； 裂 纹扩展阶段的载荷从 １５ ｋＮ 逐渐增大， 达到一定
１ wk.baidu.com验材料及方法
１．１ 实验材料 实验所用材料为实验用国产化 ＥＡ４Ｔ 钢， 其
实测主要化学成分（质量分数， ％）为： ０．２５Ｃ， ０．２８Ｓｉ，
收 稿 日 期： ２００８－０３－３１ 基 金 项 目： 黔 科 合 重 大 专 项（２００６６０３１） 作者简介：梁益龙（１９５５－）， 男， 贵州人， 教授，主要从事金属材料的强
表 ２ 是 ＥＡ４Ｔ 钢的拉伸性能值， 按照西门子 的 标准 （σｓ≥４２０ ＭＰａ， σｂ≥６５０ ＭＰａ， δ≥１８％）， 从 实验中可看出， 强度指标符合要求， 但伸长率低于 标准值。这可能是由于近表面在拉伸过程中出现 了反冲现象， 因而导致了试样的伸长率降低。 ２．２ Ｊ Ｒ阻力曲线及断裂韧性
ＬＩＡＮＧ Ｙｉｌｏｎｇ１， ２， ＷＡＮＧ Ｘｉｎ１， ２， ＭＥＮＧ Ｙａｎｇ１， ２， ＷＡＮＧ Ｚｈｕｓｈｅｎｇ３， ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎｈｏｎｇ３
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｇｕｉｙａｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００５， Ｃｈｉｎａ）
０．２２ 表面
０．２０
０．１８
ＪＲ ／ＭＰａ
０．１６
０．１４
０．１２
０．１０ Ｒ／２ 处
０．０８
０．０６ ０．１ ０．２
０．３ ０．４ ０．５
裂纹扩展量 Δａ／ｍｍ
图 １ 不同部位的 ＪＲ 阻力曲线
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ＪＲ ｃｕｒｖｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ
表 ３ 不同部位的 Ｊ １ｃ 和 Ｋ１ｃ 值 Ｔａｂ． ３ Ｔｈｅ Ｊ ０．２ ａｎｄ Ｋ１ｃ ｖａｌｕｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ
部位 近表面 Ｒ／２ 处
Ｊ０．２ ／（ＭＰａ·ｍ） ０．１０５ ０．０６７３
采用 ＰＭＧ３ 型 Ｏｌｍｐｕｓ 金相显微镜观察显微 组 织 ， ＫＹＫＹ２８００Ｂ 型 扫 描 电 镜 观 察 断 口 形 貌 和 剖面金相组织。
２ 实验结果与分析
２．１ 常规力学性能分析
在 轴 的 表 层 、Ｒ／２ 处 以 及 心 部 按 纵 向 和 横 向
取样进行冲击性能和拉伸性能试验， 结果见表 １
换算的 Ｋ１ｃ ／（ＭＰａ·ｍ１／２） １４９ １１９
表 面 处 的 Ｊ０．２＝ ０．１０５ ＭＰａ·ｍ、Ｋ１Ｃ＝ １４９ ＭＰａ·ｍ１／２， 且阻力曲线斜率较大， 起裂点较高； Ｒ／２ 处的 Ｊ０．２＝ ０．０６７３ ＭＰａ·ｍ， Ｋ１Ｃ＝ １１９ ＭＰａ·ｍ１／２， 且 阻 力 曲 线 斜 率较小， 起裂点较低。Ｊ０．２ 值结果表明， 近表面的断 裂韧性值明显高于 Ｒ／２ 处。对 ７００ ＭＰａ 强度水平 来讲， 这个断裂韧性值较低。 ２．３ 材料质量分析 ２．３．１ 显微组织分析
《热加工工艺》２００８ 年第 ３７ 卷第 １６ 期
２３
材料热处理技术 Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
２００８ 年 ８ 月
扩展量后停机， 用二次疲劳法， 使稳定裂纹扩展区 留印后压断。试验在常温下进行。压断试样后， 用 工 具 显 微 镜 测 量 裂 纹 长 度 ａ 和 裂 纹 扩 展 量 Δａ （Δａ≤０．５ ｍｍ）。
该材料各个状态的回归方程分别是： 近表面 ＪＲ ＝ ０．０３５６ ＋ ０．３５Δａ ±０．００５３ ， Ｒ／２ 处 ＪＲ ＝０．０６１３＋ ０．０３Δａ ±０．０２７６。取 Δａ ＝０．２ ｍｍ 处所对应的 ＪＲ 值 作为断裂韧性 Ｊ１Ｃ 的值。临界 Ｊ 积分值与 Ｋ１Ｃ 关系 得到 Ｋ１Ｃ＝４６０ #Ｊ１Ｃ （ＭＰａ·ｍ１／２）。
ＨＲＣ（平均值） ２４ １９ １３ ２５ ２０ １９
表 ２ ＥＡ４Ｔ 钢的拉伸性能 Ｔａｂ． ２ Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
取样
Ｆ
Ｌ０
Ｌ１
Ｄ０
Ｄ１ δ（％） Ψ（％） σｓ
σｂ
部位 ／ｋＮ ／ｍｍ ／ｍｍ ／ｍｍ ／ｍｍ
／ＭＰａ ／ＭＰａ
表面 ６２．６５ ５０．００ ５５．２６ １０．０７ ６．６８ １０．５２ ５６．００ ５７０．０ ７８１．９
冲击试验在 ＪＢ－３０Ａ 型摆锤式冲击试验机上 进行， 采用夏比 Ｕ 型冲击试样（Ｕ 型缺口）， 冲击样 坯的切取按照 ＧＢ／Ｔ２９７５ 的规定执行； 试验在常 温 下 进 行 ； 分 别 在 车 轴 的 中 心 、Ｒ／２ 及 表 面 处 取 横、纵向样。
拉伸试验在 Ｉｎｓｔｒｏｎ８５０１ 试验机上进行测定， 采用 !１０ ｍｍ 标准拉伸试样， 根据 ＧＢ／Ｔ２２８－２００２ 进行室温拉伸试验。试样原始标距 Ｌ０ 取 ５０ ｍｍ， 试验在常温下进行。测定的室温拉伸性能包括抗 拉强度（σｂ）、屈服 强度（σｓ）、伸长 率（δ）及断 面 收 缩 率（ψ）。
Ｒ／２ ５６．４６ ５０．００ ５７．４２ １０．００ ６．５２ １４．８４ ５７．４９ ５６０．２ ７２６．１
心部 ５６．３０ ５０．００ ５８．４５ １０．０１ ７．２２ １６．９ ４７．９８ ５５０．５ ７１３．９
由表 １ 可看出， 试样的纵向 Ｒ／２ 处及所有横 向处的值都偏低。由于缺口深度为 ５ ｍｍ， 与 ２ ｍｍ 比较弹塑性变形区减少， 吸收的能量就相应减 少。 根据西门子 ＥＮ１３２６１ 标准上述冲 击值均小 于标准值。
下半月出版
Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 材料热处理技术
国产 ＥＡ４Ｔ 车轴钢的显微组织与强韧性研究
梁益龙 １， ２， 王 新 １， ２， 孟 阳 １， ２， 王筑生 ３， 张春红 ３ （１． 贵 州 大 学 材 料 科 学 与 冶 金 工 程 学 院， 贵 州 贵 阳 ５５０００３； ２． 贵 州 省 材 料 结 构 与 强 度 重 点 实 验 室， 贵 州 贵 阳 ５５０００３； ３． 贵阳特殊钢有限责任公司， 贵州 贵阳 ５５０００５）
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ａｘｌｅｓ ｓｔｅｅｌ； ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｏｂｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ； ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
铁路机车中的车辆车轴是一个十分重要的构 件， 车轴在运行中如发生断裂将造成脱轨、翻车 等重大恶性事故， 因此世界各国对提高车轴的可 靠性均十分重视［１］。随着我国铁道车辆 的提速加 载， 原 ４０ 钢、５０ 钢已不适宜作为高速、重载机车 车轴用钢， 而是引进德国西门子技术、采用力学 性 能 更 优 异 的 ＥＡ４Ｔ 钢 ［２］。 为 更 好 地 引 进 消 化 ＥＡ４Ｔ 钢， 并在此基础上有所创新， 本文对实验用 国产化 ＥＡ４Ｔ 钢热处理后的显微组织、冲击、断裂 等力学性能进行了研究， 探讨了影响该钢强韧性 的主要因素， 由此提出了改进方法和措施。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｘｌｅｓ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＳＥＭ ａｎｄ ＴＥＭ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｍｎ ａｎｄ Ｃｒ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ． Ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｍａｓｓｉｖｅ ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｆｅｒｒｉｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｕａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｌｏｎｇ ｃｅｎｔｒｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｌｅａｖａｇｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｅｎａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ．
对 从 车 轴 钢 不 同 部 位（表 面 、Ｒ／２、心 部）截 取 的纵向和横向试样进行光学金相分析， 其显微组 织形态见图 ２。可看出， 表层显微组织全部为条状 马氏体和回火索氏体， 但在 Ｒ／２ 处开始明显出现 块状铁素体和回火贝氏体组织， 随离表层距离增 加， 铁素体块尺寸逐渐增大、数量增多 ， 到心部形 成大块状铁素体组织。整个轴存在回火索氏体、 部分高温回火贝氏体以及先共析块状铁素体组 织。按照西门子技术条件在车轴整个截面上、表层 和 Ｒ／２ 部位的显微组织应以高温回火贝氏体＋高 温回火马氏体才能保证车轴的强韧性达到技术标 准。采用直线截点法测定原奥氏体晶粒度得出： Ｒ／２ 处的晶粒度级别为 ６．５ 级 ， 近表面晶粒度级 别为 ６．８ 级。显然对要求高强韧性和疲劳寿命的 车轴钢而言，原奥氏体晶粒尺寸在 ６．５～６．８ 级， 较 为粗大， 对强韧性会有较大影响。 ２．３．２ 断口形貌及与显微组织关系分析
共析铁素体， 并沿心部逐渐增多， 这是引起材料解理开裂而降低韧性和塑性的主要原因。
关键词： 车轴钢； 显微组织； 强韧性； 断裂机理
中图分类号： ＴＧ１４２．４１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００８）１６－００２３－０３
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｍｉｃｒ ｏｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ａｎｄ Ｏｂｄｕｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ａｘｌｅｓ Ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
度 与 断 裂 及 其 新 材 料 、新 工 艺 的 研 究 开 发 工 作； 电话：１３１５８０３９８９８； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉｎｑｕｉｋ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
０．５３Ｍｎ， ０．０１１Ｐ， ０．０１８Ｓ， １．０２Ｃｒ， ０．２２Ｍｏ， ０．１１Ｎｉ， ０．１５Ｃｕ。 该钢冶炼成铸锭后， 先锻造 成 !２８０ ｍｍ 的棒材， 再经 ９００ ℃淬火＋高温回火的调质热处理 后， 在轴的不同部位取样进行力学性能试样加工。 １．２ 实验方法
（１） 断 裂 韧 性 断 口 分 析 将 Ｒ／２ 处断裂韧性 试样断口在扫描电镜下进行观察， 结果见图 ３。
２４
Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．１６
下半月出版
（ａ）表 面
（ｂ）Ｒ／２ 处
Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 材料热处理技术
（ｃ）心 部
２０μｍ
２０μｍ
图 ２ 从表面到心部纵向光学显微组织 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ ｍｉｄ－ｒａｄｉｕｓ
（ａ）
２０μｍ
（ａ） 裂纹扩展量 ＜０．５ ｍｍ
（ｂ）
和表 ２。
表 １ ＥＡ４Ｔ 钢的冲击韧度值
Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ＥＡ４Ｔ
试样状态
近表面 Ｒ／２ 心部 近表面 Ｒ／２ 心部 （纵） （纵） （纵） （横） （横） （横）
冲击吸收功 ＡＫＵ／Ｊ ５５￣５７ ３４￣３７ ５１￣５４ １９￣２３ ２０￣２３ ２０￣２２
摘 要： 采用扫描电镜、金相显微镜等试验手 段 对 试 验 用 国 产 化 ＥＡ４Ｔ 车 轴 钢 的 显 微 组 织 、断 裂 韧 性 及 断 口
形貌进行观察分析， 力学性能测试结果表明 ： 该 钢 Ｍｎ、Ｃｒ 含 量 偏 低 ， 导 致 车 轴 钢 淬 透 性 较 差 ； 材 料 中 出 现 块 状 先
断 裂 韧 性 试 验 根 据 国 标 ＧＢ／Ｔ２０３８ 在 ＣＳＳ－２８０Ｓ－２００ＫＮ 型电液伺服疲劳试验机上进行。 预制疲劳裂纹阶段， 采用恒幅载荷条件、正弦波， 其 应力比 Ｒ＝－ １， 载荷水平 Ｆ＝２０ ｋＮ ， 频率 ｆ＝２０ Ｈｚ； 裂 纹扩展阶段的载荷从 １５ ｋＮ 逐渐增大， 达到一定
１ wk.baidu.com验材料及方法
１．１ 实验材料 实验所用材料为实验用国产化 ＥＡ４Ｔ 钢， 其
实测主要化学成分（质量分数， ％）为： ０．２５Ｃ， ０．２８Ｓｉ，
收 稿 日 期： ２００８－０３－３１ 基 金 项 目： 黔 科 合 重 大 专 项（２００６６０３１） 作者简介：梁益龙（１９５５－）， 男， 贵州人， 教授，主要从事金属材料的强
表 ２ 是 ＥＡ４Ｔ 钢的拉伸性能值， 按照西门子 的 标准 （σｓ≥４２０ ＭＰａ， σｂ≥６５０ ＭＰａ， δ≥１８％）， 从 实验中可看出， 强度指标符合要求， 但伸长率低于 标准值。这可能是由于近表面在拉伸过程中出现 了反冲现象， 因而导致了试样的伸长率降低。 ２．２ Ｊ Ｒ阻力曲线及断裂韧性
ＬＩＡＮＧ Ｙｉｌｏｎｇ１， ２， ＷＡＮＧ Ｘｉｎ１， ２， ＭＥＮＧ Ｙａｎｇ１， ２， ＷＡＮＧ Ｚｈｕｓｈｅｎｇ３， ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎｈｏｎｇ３
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｇｕｉｙａｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００５， Ｃｈｉｎａ）