實驗材料及方法

實驗用鋼為2種重載車輪鋼，化學成分如表1。實驗用鋼采用真空冶煉爐冶煉，澆鑄后將鋼錠鍛造成鋼坯，鍛造加熱溫度在1200～1300℃，鍛后空冷，在鍛態實驗用鋼上截取Φ20mm的試樣棒進行熱處理。車輪制造工藝為：壓軋后進行踏面淬火，即870℃×2h加熱，實際淬火溫度約為840℃；然后踏面噴水230s，實際輪輞冷卻速度2～4℃/s；最后進行510℃×5h回火。為了模擬該工藝，并考慮到實驗用試樣的尺寸比實際工件小很多，本實驗中對試樣采用850℃×0.5h正火+500℃×2h回火。

熱處理后將試樣切成厚度為1.3mm的圓片，用砂紙打磨后拋光。采用BrukerD8Advance進行XRD測量，所用靶材為銅靶，測量步長為0.02°；用RIETEN-2000軟件[8]對XRD數據進行Rietveld分析。重新拋光，并用4%(體積分數)的硝酸酒精浸蝕后，分別采用Olympus金相顯微鏡和FEINANOSEM430掃描電鏡進行組織觀察。最后，利用PhilipsTecnai12透射電鏡對材料組織進行觀察，所用透射電鏡樣品均采用電解雙噴減薄的方法制成，電解液為8%(體積分數)高氯酸+92%(體積分數)乙醇溶液。

實驗結果與討論

1.顯微組織及其相對含量

圖1為2種實驗用鋼的金相組織照片。由圖1可以看出：含碳量較高的1#試樣由珠光體P和少量的先共析鐵素體F先組成；適當降低碳含量、提高硅含量(2#試樣)后，鋼的組織仍然是由珠光體和先共析鐵素體組成，但先共析鐵素體明顯增多。為了定量研究顯微組織的相對含量，對2種實驗用鋼進行XRD分析。對顯微組織相對含量的定量研究往往采用定量金相的方法，對于該材料，定量金相分析過程比較復雜而且耗時較長，因此采用對XRD數據進行Rietveld分析的方法[8]定量計算珠光體和鐵素體組織的相對含量。在Rietveld擬合的過程中，鐵素體(F)相和滲碳體(Fe3C)相的晶體結構均采用已報道的結構模型[9-10]。圖2為1#和2#試樣實測XRD譜與Rietveld擬合譜，由圖2可以看出，實測譜(數據點)與擬合計算譜(實線)吻合很好。

本研究中通過采用XRD的Riteveld分析方法得到2種鋼的F和Fe3C相的含量，如表2。珠光體中F和Fe3C相的質量分數分別為88.5%和11.5%，可將表2中F和Fe3C相的含量折算成先共析鐵素體F先和珠光體P的相對含量，結果也列于表2中。如果忽略其它合金元素的影響，1#和2#試樣平衡組織(先共析鐵素體F先和珠光體P)相對含量的理論值可以近似地采用杠桿定理來計算。從表2可看出，1#和2#試樣中先共析鐵素體的質量分數為5.2%和14.8%，均低于各自質量分數的理論值7.8%和20.8%。主要原因是本實驗采取的是正火工藝，奧氏體化后冷卻速度快于緩慢冷卻的退火冷卻速度(接近平衡狀態)，在珠光體轉變之前來不及完全析出先共析鐵素體。比較1#和2#試樣中先共析鐵素體的相對含量可發現，重載車輪鋼中碳的質量分數從0.71%降低到0.61%、同時硅的質量分數從0.35%提高到0.95%后，先共析鐵素體的質量分數從5.2%增加到14.8%，從而達到改善韌性的同時通過Si彌補強度的目的。

2.珠光體特征

圖3為1#和2#試樣中珠光體組織的SEM照片。由圖3可以看出，2種鋼中的珠光體均為典型的層片狀組織，但2#試樣中珠光體的片層間距較大。由此可見，適量提高Si含量在某種程度上可以減小珠光體的片層間距，這與文獻[11]中的報道相吻合，但C含量的降低會明顯增大珠光體的片層間距。因此，從重載車輪鋼的力學性能要求出發，有必要對該鋼種進一步合金化。

重載車輪鋼的顯微組織對車輪的使用性能和安全性有重要影響，因此必須抑制異常組織的出現。在原奧氏體晶界處，均勻分布著少量先共析鐵素體，可保證材料具有一定的韌性[3]，但珠光體團界處的微觀組織不可忽視。圖4為1#和2#試樣的TEM照片,由圖4可以看出，2種鋼具有同樣的顯微組織特征，在珠光體團界處沒有出現異常組織，仍然為珠光體組織，但與珠光體團內的層片狀組織相比存在不同之處：1)鐵素體含量相對較多、滲碳體的含量相對較少；2)滲碳體不再呈片狀，而是以顆粒狀不連續分布。關于珠光體團界處這種顯微組織的形成機理和影響因素正在進一步研究中。

結論

1)重載車輪鋼的顯微組織由珠光體和少量先共析鐵素體組成，當鋼中碳的質量分數從0.71%降低到0.61%、硅的質量分數從0.35%提高到0.95%時，先共析鐵素體質量分數從5.2%增加到14.8%。2)2種重載車輪鋼中的珠光體均為典型的層片狀組織，但適當降低碳含量、增加硅含量會使珠光體的片層間距有所增大。與珠光體團內層片狀組織相比，珠光體團界處的珠光體組織中鐵素體含量相對較多、滲碳體的含量較少，而且滲碳體不再呈片狀、而是以顆粒狀不連續分布。

本文作者：吳海龍 王飛飛 沈曉輝 陳剛 張慶安 單位：安徽工業大學 材料科學與工程學院 安徽馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心