含有上貝氏體的ER8車輪鋼的裂紋擴展行為

李 遷，趙愛民，郭 軍，裴 偉，劉素鵬

北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083

鐵素體和珠光體是鐵路車輪鋼中常見的兩種微觀組織，不同含碳量得到的組織含量也不同[1].車輪鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)不同，變形斷裂過程也不一樣[2].對車輪鋼的原位觀察表明，疲勞裂紋在先共析鐵素體中形核并沿界面上網(wǎng)狀鐵素體擴展，疲勞裂紋往往受阻于珠光體[3].當(dāng)裂紋激發(fā)微觀結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)相時，裂紋尖端擴展可能受阻或偏轉(zhuǎn)[4].在高應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)，鐵素體?珠光體鋼中的裂紋易于沿著鐵素體/珠光體界面的弱區(qū)傳播[5].利用原位掃描電子顯微鏡揭示不同類型微觀組織對裂紋擴展的影響以及裂紋的閉合現(xiàn)象[6?7].此外，Toribio等[8]研究表明裂紋萌生的首選位點為珠光體團，裂紋沿著鐵素體/滲碳體界面和珠光體團界面?zhèn)鞑?因為裂紋擴展所需的大部分能量被鐵素體和滲碳體界面吸收，所以珠光體片層間距越小，裂紋擴展速率越小[9].

此外，還有大量學(xué)者對貝氏體組織中的裂紋及裂紋尖端能量進行研究.Guan與Yu[10]研究了具有鐵素體-珠光體組織和鐵素體?貝氏體組織的熱軋低碳鋼的原位拉伸，表明在貝氏體中能夠觀察到頻繁的裂紋分支.陳林等[11]研究了等溫鹽浴淬火組織中的疲勞裂紋擴展情況，表明在等溫鹽浴中得到的貝氏體組織的裂紋擴展速率最慢.孫志永等[12]研究了含有初始裂紋的貝氏體鋼的性能，表明當(dāng)貝氏體試樣內(nèi)部含有裂紋，裂紋尖端存在應(yīng)力集中.微觀組織在拉伸過程中受到拉力的作用，微觀組織發(fā)生不同程度的塑性變形.Teshima等[13]研究表明因為鐵素體基體的塑性變形受到層狀滲碳體的限制，具有平行或垂直于拉伸方向排列的滲碳體薄片不會因拉力而顯著變形.Masoumi等[14]研究表明由于存在誘導(dǎo)的剪切應(yīng)變，珠光體形態(tài)在變形過程中沿45°重新定向，高度變形的晶?？梢酝ㄟ^減少儲存的能量促進裂紋的萌生和傳播.滲碳體是硬質(zhì)相，鐵素體是軟質(zhì)相，具有不同剛度值的相的分布通常會影響裂紋的生長行為[15].先共析鐵素體比珠光體具有更大的初始延性，因此先共析鐵素體中塑性變形的積累開始得更早.當(dāng)延性耗盡時，裂紋會沿著先共析鐵素體開始萌生與擴展[16?17].塑性變形的滲碳體在臨界應(yīng)變作用下出現(xiàn)裂紋，這種裂紋進一步引發(fā)珠光體鋼的韌性斷裂.由于鐵素體的屈服強度遠低于滲碳體，鐵素體基體優(yōu)先經(jīng)歷塑性變形，導(dǎo)致層狀珠光體的屈服強度降低[18].

對ER8車輪鋼輪輞踏面區(qū)域的組織研究發(fā)現(xiàn)存在上貝氏體.本文對含有上貝氏體的ER8車輪鋼進行裂紋萌生與擴展分析，從而研究裂紋在上貝氏體及鐵素體和珠光體的傳播路徑.通過原位拉伸實驗對不同含量的上貝氏體ER8車輪鋼的變形過程進行分析.

1 實驗材料和方法

實驗材料為國外進口的兩組不同批次的ER8車輪鋼，對其輪輞踏面區(qū)域進行檢測分析，對兩組車輪鋼命名為1#和2#.金相試樣的取樣位置如圖1所示，其化學(xué)成分如表1所示，金相組織觀察前用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕.從平行于兩組車輪鋼踏面5 mm處切取板狀原位拉伸試樣，中心部分尺寸為8 mm×12 mm，厚度均為1 mm.圖2是兩組車輪鋼在室溫下的拉伸實驗強度數(shù)據(jù).動態(tài)拉伸臺的加載能力為2 kN，兩組車輪鋼試樣的抗拉強度在一定范圍內(nèi)變化，故對試樣選取的厚度保持一致.原位拉伸試樣用2000#砂紙打磨后，再用體積分數(shù)為15%的高氯酸溶液電解拋光，將試樣夾持在Quanta FEG 650型掃描電鏡的動態(tài)拉伸臺觀察加載過程中裂紋的萌生及組織變形.

圖1 ER8車輪鋼輪輞踏面區(qū)域取樣示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of sampling area of steel rim tread of ER8 wheel steel (unit: mm)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織特征

圖3是1#和2#車輪鋼的微觀組織圖.從圖3（a）和3（b）可以明顯看出，1#和2#車輪鋼的室溫組織均由鐵素體（Ferrite）+珠光體（Pearlite）+上貝氏體（Upper bainite）組成，但是其中各相的所占的比例不同，其中尤以上貝氏體最明顯.1#和2#車輪鋼的掃描組織如圖3（c）和3（d）所示，可見1#和2#車輪鋼中的珠光體片層間距均很細小，達到110 nm.1#車輪鋼中的上貝氏體成細長狀，并具有一定的方向性，而2#車輪鋼中的貝氏體成短棒狀，方向性不明顯.圖3（e）和3（f）分別是1#和2#車輪鋼的透射電鏡照片，可以看出1#車輪鋼中滲碳體較2#車輪鋼大.上貝氏體在光鏡下呈現(xiàn)羽毛狀，且在透射電鏡下的滲碳體尺寸不一.利用金相定量法對兩組ER8車輪鋼的組織含量進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，1#和2#車輪鋼組織中上貝氏體，珠光體和鐵素體的體積分數(shù)比分別為80%∶15%∶5%和50%∶40%∶10%.

表1 ER8車輪鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 ER8 wheel steel chemical composition %

圖2 車輪鋼拉伸實驗的強度數(shù)據(jù)Fig.2 Tensile test strength data of wheel steel

2.2 上貝氏體裂紋擴展觀察

圖3 ER8車輪鋼微觀組織圖.（a）1#光鏡組織；（b）2#光鏡組織；（c）1#掃描組織；（d）2#掃描組織；（e）1#透射組織；（f）2#透射組織Fig.3 Microstructure of ER8 wheel steel: (a) 1# microstructure; (b) 2# microstructure; (c) 1# scanning structure; (d) 2# scanning structure; (e) 1#transmission structure; (f) 2# transmission structure

Pardoen等[19]研究了車輪鋼和鋼軌表面的受力情況以及表面形貌變化，表明了車輪鋼在運行過程中受到牽引力、剪切應(yīng)力與切向力的共同作用從而在表面形成剝離坑.當(dāng)輪軌等效接觸應(yīng)力大于材料的屈服極限，以及沖擊載荷與循環(huán)接觸應(yīng)力的聯(lián)合作用，使得踏面上的塑性變形不斷累加，并在車輪表面產(chǎn)生擠入溝和擠出溝，從而在車輪的踏面處形成貝紋狀的剝落坑[20].圖4是車輪鋼輪輞踏面的裂紋形成與擴展顯微圖.1#車輪鋼的接觸表面如圖4（a）所示，表面形成尺寸不一的剝離坑且有大量細小的裂紋存在，磨損后的表面粗糙且存在大量從表面向車輪心部擴展的裂紋.1#車輪鋼的裂紋擴展如圖4（b）所示.由圖可以看出1#試樣的裂紋是從剝離坑中萌生，然后在車輪與鋼軌接觸的垂向載荷作用下以一定角度向車輪內(nèi)部擴展.可以明顯的看出，裂紋的擴展路徑與上貝氏體的分布無關(guān).一般來說，出現(xiàn)穿晶裂紋的材料的韌性比出現(xiàn)沿晶裂紋的材料的韌性更高，這與裂紋的擴展和裂紋形成前的高塑性應(yīng)變有關(guān)[21].從裂紋擴展路徑可以看出，裂紋擴展較為筆直，并未找到分支裂紋的存在.擴展過程中由于受到上貝氏體及不同取向的珠光體片層影響，裂紋最終停止在珠光體區(qū)域.

2#車輪鋼的裂紋擴展如圖4（c）和4（d）所示.由圖可以看出2#試樣的裂紋產(chǎn)生于剝離坑，而表面形成的剝離坑會進一步促進次表面的裂紋的形成.次表面受到應(yīng)力作用產(chǎn)生塑性變形，組織沿著滾動方向形成流線型的塑性變形區(qū).裂紋在擴展過程中穿過上貝氏體擴展.裂紋擴展路徑較為筆直，裂紋擴展過程中不易形成分支裂紋.對裂紋尖端的微觀組織的觀察可知，裂紋的擴展最終停止在珠光體區(qū)域.

圖4對裂紋擴展進行了低倍的觀察，但對裂紋擴展過程中的尖端走向觀察不夠清晰.圖5對車輪鋼的裂紋擴展進行高倍數(shù)觀察.圖5（a）中裂紋從接觸表面萌生并開始擴展，越靠近車輪鋼的表面塑性變形程度越嚴重.圖5（b）中裂紋穿過上貝氏體進行擴展，在此過程中由于受到上貝氏體及不同取向的珠光體片層的阻礙而產(chǎn)生分支裂紋.分支裂紋發(fā)生彎曲，驅(qū)使裂紋尖端向能量低的方向擴展.圖5（c）和圖5（d）中裂紋在上貝氏體區(qū)域內(nèi)擴展，裂紋發(fā)生彎曲和產(chǎn)生分支裂紋.裂紋擴展最終停止在珠光體區(qū)域.當(dāng)裂紋尖端擴展至上貝氏體，裂紋擴展路徑較為彎曲.上貝氏體中的滲碳體作為硬質(zhì)相，裂紋在擴展過程中容易阻礙裂紋尖端擴展.裂紋尖端方向在上貝氏體之間連續(xù)變化，當(dāng)裂紋擴展至上貝氏體區(qū)域時發(fā)生轉(zhuǎn)向，迫使裂紋形成更長的軌跡，從而產(chǎn)生更多的裂紋分支.圖5（e）和圖5（f）中裂紋穿過珠光體區(qū)域擴展.裂紋在珠光體區(qū)域內(nèi)受阻產(chǎn)生分支，分支裂紋繼續(xù)穿過珠光體擴展.裂紋在上貝氏體區(qū)域內(nèi)擴展的路徑比裂紋在珠光體區(qū)域內(nèi)擴展的路徑更加彎折.

由于鐵素體屬于軟質(zhì)相，裂紋在鐵素體中更能自由地傳播.然而，在上貝氏體中觀察到頻繁的裂紋分支.與珠光體相比，裂紋在上貝氏體中擴展更為曲折.這表明上貝氏體能夠有效地阻止了裂紋擴展，在偏轉(zhuǎn)裂紋路徑和延緩裂紋擴展方面起著重要作用.而裂紋分支可以降低裂紋驅(qū)動力，并對裂紋擴展的阻礙起到重要作用.當(dāng)裂紋尖端擴展至珠光體和上貝氏體，裂紋最終停止在珠光體區(qū)域，這表明裂紋在擴展過程中，上貝氏體能夠有效地阻止裂紋的傳播，而珠光體則可能是在擴展過程中珠光體片層方向?qū)α鸭y尖端擴展起到阻礙作用而導(dǎo)致裂紋最終停止在珠光體區(qū)域.

圖4 ER8車輪鋼輪輞踏面的裂紋形成與擴展顯微圖.（a）1#車輪鋼表面剝離坑；（b）1#車輪鋼裂紋擴展；（c,d）2#車輪鋼裂紋擴展Fig.4 Micrograph of crack formation and propagation on rim tread of ER8 wheel steel: (a) 1# wheel steel surface peel pit; (b) crack growth of 1# wheel steel; (c, d) crack growth of 2# wheel steel

圖5 ER8車輪鋼裂紋擴展示意圖.（a）裂紋萌生處；（b～d）裂紋在上貝氏體中擴展；（e～f）裂紋在珠光體中擴展（這些顯微照片不是在車輪鋼的同一區(qū)域拍攝）Fig.5 ER8 wheel steel crack propagation diagram: (a) crack initiation; (b-d) crack propagation in upper bainite; (e-f) crack propagation in pearlite (Note that these micrographs were not taken at the same region of the wheel steels)

2.3 ER8車輪鋼的原位拉伸變形

利用掃描電鏡對不同含量的上貝氏體車輪鋼進行原位拉伸觀察.圖6是1#車輪鋼原位拉伸掃描組織圖.圖6（a）和圖6（b）表示加載初始階段，兩端受到單向拉力而在上貝氏體組織區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生主裂紋，主裂紋附近的鐵素體與上貝氏體開始發(fā)生塑性變形.變形量很小時看不到上貝氏體變形，同時鐵素體與珠光體變形也不明顯，此時上貝氏體對周圍存在的鐵素體和珠光體的變形起到明顯的限制作用.上貝氏體組織發(fā)生破碎，沿著拉伸方向呈現(xiàn)大致平行的短桿狀與粒狀.主裂紋左前方處產(chǎn)生滑移帶a，而右前方的珠光體團b未發(fā)生變形.主裂紋在擴展過程中首先穿過大塊上貝氏體，而主裂紋產(chǎn)生的分支裂紋則沿著鐵素體擴展.圖6（c）表示繼續(xù)增大拉力，主裂紋繼續(xù)向前擴展，鐵素體變形逐漸明顯，滑移帶a沒有明顯變化，而此時珠光體團b的片層間距增大.此時主裂紋穿過上貝氏體擴展，在主裂紋兩端能夠發(fā)現(xiàn)微裂紋.圖6（d）進一步增大拉力，珠光體團b中的滲碳體發(fā)生破碎，可以看到明顯的粒狀物，片層組織在拉力的作用下不復(fù)存在.對主裂紋前方的珠光體團進行觀察，在拉力的作用下，珠光體團發(fā)生破裂，滲碳體片層破碎.鐵素體作為軟相，主裂紋在擴展過程中易于沿著鐵素體擴展.圖6（e）和圖6（f）表示試樣拉伸完成后的組織變形，在主裂紋附近產(chǎn)生微裂紋，上貝氏體組織受到拉力發(fā)生變形成粒狀或短桿狀，沿著拉力方向呈現(xiàn)一定的方向性.在變形過程中鐵素體基體產(chǎn)生的白亮滑移帶也易于產(chǎn)生微裂紋.隨著變形量的增大，裂紋在上貝氏體中擴展傳播.當(dāng)車輪鋼中上貝氏體含量較高時，主裂紋穿過上貝氏體進行擴展.綜上，1#車輪鋼變形過程中，主要以鐵素體和上貝氏體組織變形為主.初始變形時，鐵素體變形明顯，隨變形量的增加，上貝氏體的變形越發(fā)明顯，到一定程度后促使上貝氏體變形并最后斷裂.

圖6 1#車輪鋼原位拉伸掃描組織圖.（a）變形初期形成的主裂紋；（b）圖（a）的局部放大；（c）拉力增大，主裂紋擴展；（d）主裂紋進一步擴展；（e）拉伸斷裂后，主裂紋旁邊組織變形；（f）拉伸斷裂后，主裂紋附近的組織變形Fig.6 In situ tensile scanning microstructure of 1# wheel steel: (a) main cracks formed in the early deformation stage; (b) partial enlargement of Fig.(a);(c) image showing main crack growth with tension increasing; (d) further expansion of the main crack; (e) microstructure adjacent to the main crack after tensile fracture; (f) microstructure around the main crack after tensile fracture

圖7是2#車輪鋼原位拉伸掃描組織圖.圖7（a）和圖7（b）表示加載初始階段，裂紋在鐵素體與珠光體區(qū)域萌生，裂紋兩端發(fā)生輕微的塑性變形，此時遠離裂紋的上貝氏體發(fā)生輕微變形，這與裂紋尖端擴展方向有關(guān).靠近裂紋的珠光體發(fā)生斷裂，滲碳體破碎，而在裂紋兩端的珠光體片層發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn).裂紋穿過珠光體和鐵素體擴展.裂紋兩端的上貝氏體未發(fā)生明顯變化.圖7（c）中拉力進一步增大，裂紋經(jīng)歷快速擴展，當(dāng)裂紋擴展至上貝氏體，裂紋尖端附近的上貝氏體發(fā)生變形，裂紋擴展受到阻礙.圖7（d）中裂紋附近的鐵素體與珠光體發(fā)生嚴重的變形，珠光體片層間距明顯縮小.當(dāng)鐵素體與珠光體變形區(qū)域與上貝氏體相接觸，變形裂紋左端的上貝氏體發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，變形過程進行緩慢，上貝氏體對珠光體的變形起到一定的阻礙作用.圖7（e）和圖7（f）中裂紋更傾向于從鐵素體與珠光體區(qū)域內(nèi)擴展.裂紋兩端的珠光體發(fā)生明顯變形，珠光體發(fā)生彎曲，片層間距縮小，滲碳體破碎成粒狀.綜上，2#車輪鋼變形過程中，主要以鐵素體和珠光體組織變形為主.裂紋從鐵素體和珠光體區(qū)域開始擴展，鐵素體和珠光體變形明顯.隨變形量的增加，上貝氏體對鐵素體和珠光體的變形產(chǎn)生阻礙.

3 結(jié)論

（1）高鐵車輪鋼中的組織除了有鐵素體和珠光體，還存在部分上貝氏體，兩組車輪鋼中上貝氏體，珠光體和鐵素體的體積分數(shù)比分別為80%∶15%∶5%和50%∶40%∶10%.

（2）高鐵車輪鋼中產(chǎn)生的裂紋穿過上貝氏體和珠光體進行擴展.穿過上貝氏體的過程中受到阻礙而產(chǎn)生分支裂紋，與此同時，裂紋尖端最終停止在珠光體區(qū)域.與珠光體相比，裂紋在上貝氏體中的擴展路徑更曲折，這表明上貝氏體能夠有效地阻止裂紋擴展，在偏轉(zhuǎn)裂紋路徑和延緩裂紋擴展方面起著重要作用.

圖7 2#車輪鋼原位拉伸掃描組織圖.（a）變形初期形成的主裂紋；（b）圖（a）的局部放大；（c）拉力增大，主裂紋穿過上貝氏體擴展；（d～f）拉伸斷裂后，主裂紋附近的組織變形Fig.7 In situ tensile scanning microstructure of 2# wheel steel: (a) main cracks formed in the early deformation stage; (b) partial enlargement of Fig.(a);(c) image showing main crack growth with tension increasing; (d-f) deformation of the microstructure near the main crack after tensile fracture

（3）含有80%的上貝氏體車輪鋼在變形初始階段，3種組織變形都不明顯，隨著變形量增大，裂紋在鐵素體/上貝氏體界面處進行擴展，同時伴隨著珠光體的變形.含有50%的上貝氏體的輪鋼中的裂紋萌生于鐵素體和珠光體區(qū)域，隨著變形量的增大，擴展至鐵素體/珠光體和鐵素體/上貝氏體界面處，當(dāng)裂紋擴展至上貝氏體區(qū)域容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且對周圍的鐵素體和珠光體的變形起到阻礙作用.