贝氏体钢轨超高周疲劳行为的研究

奥氏体化 控制冷却
贝氏体 奥氏体 马氏体
分配
回火
贝氏体/ 马氏体/ 奥氏体
通过BQ&P处理，获得了具有贝氏体/马氏体/残余奥氏体的复相组织 ，残余奥氏体呈现亚微米级和纳米级，具有很高的机械稳定性和热 稳定性，有利于改善塑性和韧性。
0.4C-MnSiCr
Volume fraction of retained austenite, % Carbon content in retained austenite, wt.%
水淬贝氏体钢的优势
减少合金添加，节约成本，提高焊接性能；
适用于大尺寸构件，在达到相同强度水平下，圆柱体 水淬硬化尺寸约为空冷的6-7倍以上；
主要研究低碳区（0.04-0.25wt.%），可获得强度级别在 800-2000MPa级别的低合金高强度钢。
Rigidity, Hv
300 280 260 240 220 200
Mn系空冷贝氏体钢的优势
高的贝氏体淬透性，有利于在大尺寸构件中获 得足够含量的贝氏体组织； 合金设计简单，主要以Mn、Si、Cr为主要合金 元素，合金成本低； 发展了从超低碳到中高碳的Mn系空冷贝氏体 钢系列，扩大了贝氏体钢在机械工程材料的应 用领域。
第二代Mn系贝氏体钢
为了进一步降低合金成本，同时响应我国的大型设备构 件国产化的需求，21世纪初，白秉哲、方鸿生等人在Mn 系空冷贝氏体钢的基础上，通过合理的合金设计，研制 成功了第二代Mn系贝氏体钢——淬火贝氏体钢。通过合 理的合金设计，利用Mn对贝氏体形成的有利作用，可以 在很大的冷速范围内获得贝氏体组织。
0.2C-MnSiCrMoV
良好的强韧性匹配： 抗拉强度：>1400MPa 冲击韧性：Akv：>100J
Rm
Rp0.2
A
Q200P
MPa MPa
%
280
1414 1061
16.5
AKV 20℃
114.8J
AKV -40℃
47.3J
AKV -60℃
43.8J
随着我国高速列车的快速发展，对 钢轨、车轮、车轴等列车部件的疲 劳寿命要求通常要达到10E8周次以 上，有的甚至到10E11周次。
0
FZB6
27SiMn
50
100
150
200
250
300
L, mm
图示水淬FZB6及水淬27SiMn 在φ300mm圆柱截面上的硬度 分布
Mn系贝氏体钢的新发展
随着我国冶金设备的发展，以TMCP为代表的控冷工 艺逐渐可以得到实现；同时采用纳米贝氏体、Q&P 等新型热处理工艺，促进Mn系贝氏体钢的进一步发 展。
贝氏体钢的由来
20世纪20年代，Robertson首先发现钢的中温转变产物， 随后Bain等人对这种组织进行了大量细致的研究，直到 1934年“贝氏体”术语的提出。 贝氏体转变的温度范围界于珠光体与马氏体之间，相应 地贝氏体组织兼备了高温转变产物的塑韧性和低温转变 的强度，具有良好的强韧性配合，从而引起人们的极大 关注。 20世纪50年代末期，英国的Irvine和 Pickering等人率先 发明了Mo-B系贝氏体钢。 20世纪70年代，清华大学方鸿生等人发明了Mn系贝氏 体钢。这是目前世界上两大系列贝氏体钢。
贝氏体钢 组织及性能调控
研究贝氏体钢新型热处理工艺的精细化，结合Thermal-Calc、有限元模拟、人 工神经网络的建模，实现复相组织调控的精细控制，完成超大尺寸及复杂零部 件的成分-组织-性能均匀化处理。
基础零部件的服役与失效分析
研究汽车、交通、能源、机械等领域基础零部件（如弹簧、螺栓、轴、紧固件 等）的服役性能，特别是疲劳性能、延迟断裂、腐蚀、磨损等性能，对典型零 部件的失效机理进行分析。
Mn系贝氏体钢的最新进展
Development of New Type Mn-Series
Bainitic Steels in China
高古辉 安佰锋 谭谆礼 桂晓露 白秉哲 翁宇庆
北京交通大学 第十一次全国热处理大会
2015.7.18
团队介绍
轨道交通高性能金属材料
主要包括新型贝氏体钢的成分及组织设计，相变机理，强韧化机制， “成分工艺-组织-性能”关系的数学及物理模拟；贝氏体钢轨、车轮、车轴等轨道交 通用高性能金属材料及新工艺的开发和推广应用。
1700
1800
例如将BQ&P工艺引入Mn系贝氏体钢，其优势在于 （1）克服了传统Q&P工艺快速淬火及短时间配分等缺点， 采用空冷+长时间配分。 （2）保证高强度的同时，可以获得良好的塑性和韧性。
Mn系贝氏体钢的应用
Mn系贝氏体钢在铁路上的应用
传统珠光体轮轨材料不足
■ 强度、耐磨性已近珠光体钢极限 ■ 高强度高耐磨难以兼顾高塑韧性 ■难以满足高速重载长远发展需求
Mn系贝氏体钢的发展历程
1970s-2000s：空冷贝氏体钢，采用Mn-B为主要合 金元素，提高贝氏体淬透性，热处理工艺简单。 2000s：水淬贝氏体钢，采用Mn-Si-Cr的合金体系， 减少合金添加，节约成本，提高焊接性能，并适 用于大尺寸构件。 2010s：贝氏体钢的新发展，结合BQ&P和TMCP等 新型热处理工艺，实现贝氏体钢综合性能的改善 。
1.8
Volume fraction
Carbon content1.620Fra bibliotek1.4
1.2 15
1.0
10
0.8
0.6
5
0.4
0.2
0
0.0
BQ&P
BQ-P-T280
BQ-P-T350
BQ-P-T400
BQ-P-T450
BQ-P-T500
A
Acta Materialia 76 (2014) 425–433
对新型高强韧1500MPa级别贝氏体/马 氏体复相钢具有良好的超高周疲劳性 能，疲劳寿命周次达到10E9，疲劳寿 命在750MPa以上。
新型高强韧贝氏体钢的优势
Impact toughness, A (J) KV
BQ&P
120 BQ-P-T
80
BQ&T
40
0 1200
1300
1400 1500 1600 Tensile strength, MPa
Mn系空冷贝氏体钢
常见的TTT曲线
●Rα ○Rγ ⊙ Rα/γ
Mn元素富集因子与相应的TTT曲线
A→P
A→B
Mn系空冷贝氏体钢的发展
经过40余年的发展，Mn系空冷贝氏体钢发展了以 下系列：
① 低碳粒状贝氏体钢 ② 低碳仿晶界铁素体/粒状贝氏体复相钢 ③ 无碳化物贝氏体/马氏体复相钢 ④ 中碳及中高碳贝氏体/马氏体复相钢 ⑤ 贝氏体耐磨铸钢