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）

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

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＯｂｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＤｏｍｅｓｔｉｃＡｘｌｅｓＳｔｅｅｌＥＡ４Ｔ

ＬＩＡＮＧＹｉｌｏｎｇ１，２，ＷＡＮＧＸｉｎ１，２，ＭＥＮＧＹａｎｇ１，２，ＷＡＮＧＺｈｕｓｈｅｎｇ３，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎｈｏｎｇ３

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＭａｔｅｒｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｉｎＧｕｉｚｈｏｕ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００３，Ｃｈｉｎａ；３．ＧｕｉｙａｎｇＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｘｌｅｓｓｔｅｅｌＥＡ４ＴｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙＳＥＭａｎｄＴＥＭ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｃｏｎｔｅｎｔｏｆＭｎａｎｄＣｒｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｌｏｗｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌ．Ｔｈｅａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆｍａｓｓｉｖｅｅｕｔｅｃｔｏｉｄｆｅｒｒｉｔｅａｎｄｔｈｅｇｒａｄｕａｌｉｎｃｒｅａｓｅａｌｏｎｇｃｅｎｔｒｅａｒｅｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｃｌｅａｖａｇｅｆｒａｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｅｎａｃｉｔｙａｎｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｘｌｅｓｓｔｅｅｌ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｏｂｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ；ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ

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、重载机车５０钢已不适宜作为高速、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］

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!２８０ｍｍ

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

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!１０ｍｍ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５０ｍｍ，试验在常温下进行。测定的室温拉伸性能包括抗屈服强度（σ伸长率（δ拉强度（σ）及断面收缩ｂ）、ｓ）、率（ψ）。

断裂韧性试验根据国标ＧＢ／Ｔ２０３８在

。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。

１实验材料及方法

实验所用材料为实验用国产化ＥＡ４Ｔ钢，其

１．１实验材料

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

度与断裂及其新材料、新工艺的研究开发工作；

ＣＳＳ－２８０Ｓ－２００ＫＮ型电液伺服疲劳试验机上进行。

正弦波，其预制疲劳裂纹阶段，采用恒幅载荷条件、

应力比Ｒ＝－１，载荷水平Ｆ＝２０ｋＮ，频率ｆ＝２０Ｈｚ；裂

材料热处理技术Ｍａｔｅｒｉａｌ＆ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ

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

０．２２０．２００．１８ＪＲ／ＭＰａ０．１６０．１４０．１２０．１００．０８０．０６

０．１

０．２

Ｒ／２处

０．３０．４

裂纹扩展量Δａ／ｍｍ

图１不同部位的ＪＲ阻力曲线

０．５表面

２００８年８月

（Δａ≤０．５ｍｍ）。

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

在轴的表层、Ｒ／２处以及心部按纵向和横向

２．１常规力学性能分析

取样进行冲击性能和拉伸性能试验，结果见表１和表２。

ＥＡ４Ｔ钢的冲击韧度值

Ｔａｂ．１ＴｈｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌＥＡ４Ｔ

试样状态

近表面（纵）

Ｆｉｇ．１ＴｈｅＪＲｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎ

表３不同部位的Ｊ１ｃ和Ｋ１ｃ值

Ｔａｂ．３ＴｈｅＪ０．２ａｎｄＫ１ｃｖａｌｕｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎ

部位近表面

Ｊ０．２／（ＭＰａｍ）

换算的Ｋ１ｃ／（ＭＰａ ｍ１／２）

０．１０５０．０６７３

１４９１１９

表１

Ｒ／２处

心部

（横）

Ｒ／２（纵）１９

心部（纵）近表面（横）Ｒ／２（横）２０

表面处的Ｊ０．２＝０．１０５ＭＰａ ｍ、Ｋ１Ｃ＝１４９ＭＰａ ｍ１／２，且阻力曲线斜率较大，起裂点较高；Ｒ／２处的Ｊ０．２＝

冲击吸收功ＡＫＵ／Ｊ５５￣５７３４￣３７５１￣５４１９￣２３２０￣２３２０￣２２２５

１９

ＨＲＣ（平均值）２４１３

０．０６７３ＭＰａ ｍ，Ｋ１Ｃ＝１１９ＭＰａ 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７００ＭＰａ强度水平来讲，这个断裂韧性值较低。

ＥＡ４Ｔ钢的拉伸性能

Ｔａｂ．２ＴｈｅｔｅｎｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌＥＡ４Ｔ

取样部位表面

表２

１０１σσ０ｓｂ

δ（％）Ψ（％）

／ｋＮ／ｍｍ／ｍｍ／ｍｍ／ｍｍ／ＭＰａ／ＭＰａ６２．６５５０．００５５．２６１０．０７６．６８１０．５２５６．００５７０．０７８１．９５６．４６５０．００５７．４２１０．００６．５２１４．８４５７．４９５６０．２７２６．１５６．３０５０．００５８．４５１０．０１７．２２１６．９４７．９８５５０．５７１３．９

２．３材料质量分析２．３．１显微组织分析

心部）截取对从车轴钢不同部位（表面、Ｒ／２、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心部

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５ｍｍ，与２ｍｍ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。

表２是ＥＡ４Ｔ钢的拉伸性能值，按照西门子的标准（σ≥１８％），从ｓ≥４２０ＭＰａ，σｂ≥６５０ＭＰａ，δ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。

２．２ＪＲ阻力曲线及断裂韧性

该材料各个状态的回归方程分别是：近表面

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。

ＪＲ＝０．０３５６＋０．３５Δａ±０．００５３，Ｒ／２处ＪＲ＝０．０６１３＋０．０３Δａ±０．０２７６。取Δａ＝０．２ｍｍ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#１Ｃ（ＭＰａ ｍ１／２）。

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

２．３．２断口形貌及与显微组织关系分析

（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。

２４ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１６

下半月出版

（ａ）表面

（ｂ）Ｒ／２处

Ｍａｔｅｒｉａｌ＆ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ材料热处理技术

（ｃ）心部

２０μｍ２０μｍ２０μｍ

图２从表面到心部纵向光学显微组织

Ｆｉｇ２Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒｏｍｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｕｒｆａｃｅｔｏｍｉｄ－ｒａｄｉｕｓ

（ａ）

（ａ）裂纹扩展量＜０．５ｍｍ（ｂ）

（ｂ）裂纹扩展量＞０．５ｍｍ

图４断裂韧性试样剖面ＳＥＭ图像

Ｆｉｇ．４ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｓｅｃｔｉｏｎ

图３

Ｒ／２处断裂韧性试样扫描断口

Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ

ｓａｍｐｌｅｉｎＲ／２ｐａｒｔ

以解理或准解理方式扩展［３］。

图３（ａ）为裂纹扩展量小于０．５ｍｍ时的断口形貌，图３（ｂ）为裂纹扩展量大于０．５ｍｍ时的断口形貌。当裂纹扩展量小于０．５ｍｍ时，断口形貌主要由平坦的塑性撕裂区组成，大于０．５ｍｍ时主要由解理和准解理组成。表明裂纹在扩展量较大时，材料表现出脆性特征。这与Ｒ／２处冲击韧度、断裂韧性值低有对应关系。

３结论

（１）该钢的纵向Ｒ／２处及所有横向处的冲击

值都偏低，说明该钢的淬透性较差。这与该钢的

Ｍｎ、Ｃｒ含量偏低有关。

（２）该钢的显微组织中出现块状先共析铁素

体，并沿心部逐渐增多，这引起了材料的解理开裂而降低其韧性和塑性。参考文献：

［１］［２］［３］

戚正风．车轴用钢的碳含量及热处理［Ｊ］．材料工程，１９９９，

（２）剖面金相为观察裂纹扩展路径及形

态，将启裂后未断开的断裂韧性试样沿１／２厚度剖开，观察裂纹扩展形态，结果见图４。剖面金相中裂纹扩展形态主要以解理裂纹进行扩展。在裂纹尖端前沿，存在较多解理小裂纹。这些裂纹主要在马氏体与铁素体界面或直接在铁素体中形成后

（３）：３２－３３．

李学锋．铁道车辆用ＬＺＷ车轴钢晶粒度研究［Ｊ］．钢铁，

２００１，（８）：３６－３８．

上官晓峰，董大军，史蒲英．Ａ３５６．０断裂机理研究［Ｊ］．铸造技术，２００６，（１１）：２５－２８．

《热加工工艺》２００８年第３７卷第１６期２５

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