常用钢轨的化学成分及性能

第一章常用钢轨的化学成分及性能

第一节钢材的性能

常用的金属材料通常分成两类，一类是有色金属，另一类是黑色金属。黑色金属中应用最广的是钢铁产品。钢铁材料是由铁（Fe）和碳（C）两种主要元素组成的合金，含碳量小于0.02％的铁碳合金称为工业纯铁。

一、物理和化学性能

（一）热膨胀性钢材受热时体积膨大的特性称为热膨胀性，通常用线膨胀系数作为衡量热膨胀性的指标。钢材类别不同，线膨胀系数也不同。随着温度升高，线胀系数值增大。

（二）导热性钢材传导热量的性能称为导热性。钢材中的合金元素影响导热性，不锈钢的导热性比低碳钢和低合金钢要差。

（三）导磁性钢材能导磁的性能称为导磁性。钢材中除单相奥氏体钢为无磁钢外，其余均为导磁钢。钢轨焊后中频加热正火处理正是利用了钢轨钢的导磁性能产生涡流加热钢轨。温度高于770℃（居里点）时，导磁性能大大降低。

（四）导电性钢材能够传递电荷的性能称为导电性。通常用电阻系数作为衡量导电性的指标。钢材的电阻系数越大，其导电性越差，电流通过时所产生的热量也越多。钢材的电阻焊接或闪光焊接就是利用了工件端面高电阻产生的热量进行焊接的。

（五）抗氧化性钢材在一定的温度和介质条件下抵抗氧化性的能力称为抗氧化性。抗氧化性差的钢材在高温条件下，很容易被周围介质中的氧所氧化，形成氧化皮，逐渐剥落而损坏。耐热钢具有良好的抗氧化性，不锈钢的抗氧化性最好。

二、机械性能

钢材在一定温度条件和外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为机械性能，或称为力学性能。常规机械性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等；高温机械性能还包括抗蠕变性能、特久强度和瞬时强度以及热疲劳性能等；低温机械性能还包括脆性转变温度等。

（一）强度和塑性

强度有静强度和疲劳强度之分。静强度是钢材在缓慢加载的静力作用下，抵抗变形和断裂的能力。疲劳强度是钢材在交变载荷作用下，经过无数次循环交变载荷而不产生裂纹或断裂的能力。钢轨焊接接头的静弯实验(TB/T 1632.1-2005)，是检查接头的静强度；而接头的疲劳强度试验(TB/T 1632.1-2005)是检查疲劳强度的指标。

常用的强度指标有屈服极限（即屈服点或屈服强度）、强度极限（即抗拉强度）和疲劳极限等。塑性是指钢材在外力作用下产生塑性变性能力。常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率，以及冷弯角等。钢材的强度和塑性指标，可通过拉伸试验(GB/T 228-2002 equ ISO 6892:1998)及弯曲试验(GB/T 228-1999 equ ISO 7438:1985)而获得。

1. 低碳钢拉伸试验

图1－2为低碳钢试件的拉伸图

图1－1是拉伸变形过程示意图，图1－2为低碳钢试件的拉伸图。由图1－2可见，在拉伸试验过程中，低碳钢试件工作段的伸长量∆l 与试件所受拉力F 之间的关系，大致可分为以下四个阶段。

第Ⅰ阶段 试件受力以后，长

度增加，产生变形，这时如将外力

卸去，试件工作段的变形可以消失，

恢复原状，变形为弹性变形，因此，

称第Ⅰ阶段为弹性变形阶段。低碳

钢试件在弹性变形阶段的大部分范

围内，外力与变形之间成正比，拉

伸图呈一直线。

第Ⅱ阶段 弹性变形阶段以

后，试件的伸长显著增加，但外力却滞留

在很小的范围内上下波动。这时低碳钢似

乎是失去了对变形的抵抗能力，外力不需

增加，变形却继续增大，这种现象称为屈

服或流动。因此，第Ⅱ阶段称为屈服阶段

或流动阶段。屈服阶段中拉力波动的最低

值称为屈服载荷，用Fs 表示。在屈服阶

段中，试件的表面上呈现出与轴线大致成

45︒的条纹线，这种条纹线是因材料沿最大

切应力面滑移而形成的，通常称为滑移

线。

第Ⅲ阶段 过了屈服阶段以后，继

续增加变形，需要加大外力，试件对变形

的抵抗能力又获得增强。因此，第Ⅲ阶段

称为强化阶段。强化阶段中，力与变形

之间不再成正比，呈现着非线性的关系。

超过弹性阶段以后，若将载荷卸去

（简称卸载），则在卸载过程中，力与变形按线性规律减少，且其间的比例关系与弹性阶段基本相同。载荷全部卸除以后，试件所产生的变形一部分消失，而另一部分则残留下来，试件不能完全恢复原状。在屈服阶段，试件已经有了明显的塑性变形。因此，过了弹性阶段以后，拉伸图曲线上任一点处对应的变形，都包含着弹性变形∆le 及塑性变形∆lp 两部分（见图1－2）。

第Ⅳ阶段 当拉力继续增大达某一确定数值时，可以看到，试件某处突然开始逐渐局部变细，形同细颈，称颈缩现象。颈缩出现以后，变形主要集中在细颈附近的局部区域。因此，第Ⅳ阶段称为局部变形阶段。局部变形阶段后期，颈缩处的横截面面积急剧减少，试件所能承受的拉力迅速降低，最后在颈缩处被拉断。若用d1及l1分别表示断裂后颈缩处的最小直径及断裂后试件工作段的长度，则d 1及l 1与试件初始直径d 0及工作段初始长度

l 0相比，均有很大差别。颈缩出现前，试件所能承受的拉力最大值，称为最大载荷，用F b 表示。

2．低碳钢拉伸时的力学性能

低碳钢的拉伸图反映了试件的变形及破

坏的情况，但还不能代表材料的力学性能。

因为试件尺寸的不同，会使拉伸图在量的方

面有所差异，为了定量地表示出材料的力学

性能，将拉伸图纵、横坐标分别除以A 0及

l 0，所得图形称为应力 - 应变图（σ-ε

图），σ= P/ F 0，ε= l/ l 0；图1－3为低

碳钢的应力–应变图。由图1－3可见，应

力 – 应变图的曲线上有几个特殊点（如图

中a 、b 、c 、e 等），当应力达到这些特殊

点所对应的应力值时，图中的曲线就要从一

种形态变到另一种形态。这些特殊点所对应的

应力称为极限应力，材料拉伸时反映强度的一

些力学性能，就是用这些极限应力来表示的。

从应力–应变图上，还可以得出反映材料对弹性变形抵抗能力及反映材料塑性的力学性能。下面对拉伸时材料力学性能的主要指标逐一进行讨论。

屈服点和屈服强度 钢材在拉伸过程中，当载荷不再增加（甚至有所降低）时，继续发生塑性变形的现象称为屈服现象。开始出现屈服现象的应力，称为屈服点，以σs 表示。图1－2外加拉力与伸长量的关系曲线中S 段出现了屈服现象。屈服阶段中曲线呈锯齿形，应力上下波动，锯齿形最高点所对应的应力称为上屈服点，最低点称为下屈服点。上屈服点不太稳定，常随试验状态（如加载速率）而改变。下屈服点比较稳定（如图1-3中的c 点），通常把下屈服点所对应的应力作为材料的屈服点（参看GB/T 228-2002《金属拉力试验法》）。应力达屈服点时，材料将产生显著的塑性变形。拉伸实验时，如果钢材的屈服现象不明显或无屈服现象，则以变形量达到试件基准长度0.2％时的应力，定义为该钢材的屈服强度，以σ0.2表示，计算公式如下：

σs （或σ0.2）＝0.20()Ps P F 或 （1-1） 式中P S (或P 0.2)－试件开始屈服（或产生0.2％基准长度变形量）的载荷（N ）；

F 0－试件的原始横截面积（mm 2

）。

比例极限及弹性模量E 应力–应变曲线上oa 段，按一般工程精度要求，可视为直线，在a 点以下，应力与应变成正比。对应于a 点的应力，称为比例极限，用E 表示比例常数，则有

σ＝ E ε （1-2） 图1－3低碳钢的应力 – 应变图