含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 李迁赵爱民郭军裴伟刘素鹏 Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite LI Qian,ZHAO Ai-min,GUO Jun,PEI Wei,LIU Su-peng 引用本文： 李迁，赵爱民，郭军，裴伟，刘素鹏.含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为).工程科学学报，2020,42(6：747-754.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2019.06.27.002 LI Qian,ZHAO Ai-min,GUO Jun,PEI Wei,LIU Su-peng.Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(6):747-754.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002 在线阅读View online::htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.27.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究 Study on crack initiation and propagation in rock mass during unloading based on XFEM 工程科学学报.2017,3910：1470htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.002 形变过程中TRP效应的相变热动态研究 Dynamic study on phase-change heat of TRIP effect during deformation 工程科学学报.2018.40(1：59 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.008 两相区位错增殖对低碳贝氏体/铁素体复相钢组织和性能的影响 Effect of dislocation multiplication in intercritical region on microstructure and properties of low-carbon bainite/ferrite multiphase steel 工程科学学报.2019,41(3：325 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.03.005 等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 Effect of austempering temperature on the microstructure and wear resistance of ultrafine bainitic steel 工程科学学报.2018,4012：1502htps:/1oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.12.008 热轧带钢氧化铁皮拉伸开裂行为 Tensile cracking behavior of oxide scale in hot-rolled steel 工程科学学报.2017,3910：1540 https:/1oi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.10.012

含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 李迁 赵爱民 郭军 裴伟 刘素鹏 Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite LI Qian, ZHAO Ai-min, GUO Jun, PEI Wei, LIU Su-peng 引用本文: 李迁, 赵爱民, 郭军, 裴伟, 刘素鹏. 含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为[J]. 工程科学学报, 2020, 42(6): 747-754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002 LI Qian, ZHAO Ai-min, GUO Jun, PEI Wei, LIU Su-peng. Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 747-754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究 Study on crack initiation and propagation in rock mass during unloading based on XFEM 工程科学学报. 2017, 39(10): 1470 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.002 形变过程中TRIP效应的相变热动态研究 Dynamic study on phase-change heat of TRIP effect during deformation 工程科学学报. 2018, 40(1): 59 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.008 两相区位错增殖对低碳贝氏体/铁素体复相钢组织和性能的影响 Effect of dislocation multiplication in intercritical region on microstructure and properties of low-carbon bainite/ferrite multiphase steel 工程科学学报. 2019, 41(3): 325 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.005 等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 Effect of austempering temperature on the microstructure and wear resistance of ultrafine bainitic steel 工程科学学报. 2018, 40(12): 1502 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.008 热轧带钢氧化铁皮拉伸开裂行为 Tensile cracking behavior of oxide scale in hot-rolled steel 工程科学学报. 2017, 39(10): 1540 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.012

工程科学学报.第42卷，第6期：747-754.2020年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.6:747-754,June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002;http://cje.ustb.edu.cn 含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 李迁，赵爱民四，郭军，裴伟，刘素鹏 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhaoaimin@ustb.edu.cn 摘要研究不同含量的上贝氏体对ER8车轮钢裂纹扩展行为的影响.利用激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM) 对ER8车轮钢的显微组织和裂纹扩展路径进行了研究.实验结果表明：ER8车轮钢中的组织除了有铁素体和珠光体，还存在 上贝氏体；裂纹穿过上贝氏体和珠光体扩展，最终停止在珠光体区域：与珠光体组织相比，裂纹在上贝氏体中的扩展路径更曲 折.利用扫描电镜(SEM)对ER8车轮钢的裂纹扩展变形进行原位观察.实验结果表明：含有80%上贝氏体的ER8车轮钢拉 伸时，组织变形过程主要以铁素体和上贝氏体为主，裂纹在上贝氏体和珠光体中连续扩展，伴随着珠光体的变形：而含有 50%上贝氏体的ER8车轮钢拉伸时，组织变形过程主要以铁素体和珠光体为主，并且上贝氏体对铁素体和珠光体的变形起 到阻碍作用.上贝氏体能够有效地阻止裂纹扩展，在偏转裂纹路径和延缓裂纹扩展方面起着重要作用：并且对铁素体和珠光 体的变形起到阻碍作用. 关键词ER8车轮钢：上贝氏体：裂纹；原位拉伸：塑性变形 分类号TG142.1 Crack propagation behavior of ER&wheel steel containing upper bainite LI Qian,ZHAO Ai-min,GUO Jun,PEI Wei,LIU Su-peng Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhaoaimin@ustb.edu.cn ABSTRACT In recently years,high-speed and heavy-haul railway technology has been rapidly developed and widely used in China Pearlite steel is usually used in railway wheels,and its structure is composed of pearlite and ferrite.Pearlite has properties,including mechanical properties,that combine those of ferrite and cementite,and it also has acceptable strength and toughness.The comprehensive mechanical properties of pearlite are better than those of ferrite or cementite alone.When upper bainite is produced after the heat- treatment of ER8 wheel steel,the upper bainite may become the channel of crack development because of the large carbide particles and the weak strengthening effect and especially because of the presence of flake ferrites.In this study,the influence of different contents of upper bainite on the crack propagation behavior of ER8 wheel steel was investigated.The microstructure and crack growth path of ER8 wheel steel were studied by laser scanning confocal microscopy (LSCM)and scanning electron microscopy (SEM).The experimental results show that ER wheel steels not only have ferrite and pearlite but also upper bainite.The crack propagates through the upper bainite and pearlite and finally stops in the pearlite region.Compared with the pearlite microstructure,the crack propagation path in the upper bainite is more tortuous.The crack propagation and deformation of ER8 wheel steels were observed in situ by scanning electron microscopy.The experimental results show that when ER8 iron wheel steel containing 80%upper bainite is stretched,the microstructure deformation process is mainly ferrite and upper bainite.The crack in the upper bainite and the pearlite continues to expand with the pearlite deformation.However,when ER8 iron wheel steel containing 50%upper bainite is stretched,the deformation process mainly involves ferrite and pearlite,and the upper bainite retards the ferrite and pearlite deformation.The upper bainite can effectively prevent 收稿日期：2019-06-27

含有上贝氏体的 ER8 车轮钢的裂纹扩展行为 李    迁，赵爱民苣，郭    军，裴    伟，刘素鹏 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 苣通信作者，E-mail：zhaoaimin@ustb.edu.cn 摘    要    研究不同含量的上贝氏体对 ER8 车轮钢裂纹扩展行为的影响. 利用激光共聚焦显微镜（LSCM）和扫描电镜（SEM） 对 ER8 车轮钢的显微组织和裂纹扩展路径进行了研究. 实验结果表明：ER8 车轮钢中的组织除了有铁素体和珠光体，还存在 上贝氏体；裂纹穿过上贝氏体和珠光体扩展，最终停止在珠光体区域；与珠光体组织相比，裂纹在上贝氏体中的扩展路径更曲 折. 利用扫描电镜（SEM）对 ER8 车轮钢的裂纹扩展变形进行原位观察. 实验结果表明：含有 80% 上贝氏体的 ER8 车轮钢拉 伸时，组织变形过程主要以铁素体和上贝氏体为主，裂纹在上贝氏体和珠光体中连续扩展，伴随着珠光体的变形；而含有 50% 上贝氏体的 ER8 车轮钢拉伸时，组织变形过程主要以铁素体和珠光体为主，并且上贝氏体对铁素体和珠光体的变形起 到阻碍作用. 上贝氏体能够有效地阻止裂纹扩展，在偏转裂纹路径和延缓裂纹扩展方面起着重要作用；并且对铁素体和珠光 体的变形起到阻碍作用. 关键词    ER8 车轮钢；上贝氏体；裂纹；原位拉伸；塑性变形 分类号    TG142.1 Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite LI Qian，ZHAO Ai-min苣 ，GUO Jun，PEI Wei，LIU Su-peng Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhaoaimin@ustb.edu.cn ABSTRACT    In recently years, high-speed and heavy-haul railway technology has been rapidly developed and widely used in China. Pearlite steel is usually used in railway wheels, and its structure is composed of pearlite and ferrite. Pearlite has properties, including mechanical properties, that combine those of ferrite and cementite, and it also has acceptable strength and toughness. The comprehensive mechanical  properties  of  pearlite  are  better  than  those  of  ferrite  or  cementite  alone.  When  upper  bainite  is  produced  after  the  heat￾treatment of ER8 wheel steel, the upper bainite may become the channel of crack development because of the large carbide particles and the weak strengthening effect and especially because of the presence of flake ferrites. In this study, the influence of different contents of upper bainite on the crack propagation behavior of ER8 wheel steel was investigated. The microstructure and crack growth path of ER8 wheel steel were studied by laser scanning confocal microscopy (LSCM) and scanning electron microscopy (SEM). The experimental results show that ER8 wheel steels not only have ferrite and pearlite but also upper bainite. The crack propagates through the upper bainite and pearlite and finally stops in the pearlite region. Compared with the pearlite microstructure, the crack propagation path in the upper bainite is more tortuous. The crack propagation and deformation of ER8 wheel steels were observed in situ by scanning electron microscopy. The experimental results show that when ER8 iron wheel steel containing 80% upper bainite is stretched, the microstructure deformation process is mainly ferrite and upper bainite. The crack in the upper bainite and the pearlite continues to expand with the pearlite deformation. However, when ER8 iron wheel steel containing 50% upper bainite is stretched, the deformation process mainly involves ferrite and pearlite, and the upper bainite retards the ferrite and pearlite deformation. The upper bainite can effectively prevent 收稿日期: 2019−06−27 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期：747−754，2020 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 6: 747−754, June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002; http://cje.ustb.edu.cn

·748 工程科学学报，第42卷，第6期 crack growth and plays an important role in deflecting crack path and delaying crack growth.Moreover,it hinders the deformation of ferrite and pearlite KEY WORDS ER8 wheel steel;upper bainite;crack;in situ stretching;plastic deformation 铁素体和珠光体是铁路车轮钢中常见的两种 远低于渗碳体，铁素体基体优先经历塑性变形，导 微观组织，不同含碳量得到的组织含量也不同山 致层状珠光体的屈服强度降低8剧 车轮钢的微观组织结构不同，变形断裂过程也不 对ER8车轮钢轮辋踏面区域的组织研究发现 一样回对车轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先 存在上贝氏体.本文对含有上贝氏体的ER8车轮 共析铁素体中形核并沿界面上网状铁素体扩展， 钢进行裂纹萌生与扩展分析，从而研究裂纹在上 疲劳裂纹往往受阻于珠光体).当裂纹激发微观结 贝氏体及铁素体和珠光体的传播路径.通过原位 构中的硬质相时，裂纹尖端扩展可能受阻或偏转 拉伸实验对不同含量的上贝氏体ER8车轮钢的变 在高应力强度因子范围内，铁素体-珠光体钢中的 形过程进行分析 裂纹易于沿着铁素体珠光体界面的弱区传播阿 1实验材料和方法 利用原位扫描电子显微镜揭示不同类型微观组织 对裂纹扩展的影响以及裂纹的闭合现象刃此 实验材料为国外进口的两组不同批次的 外，Toribio等图研究表明裂纹萌生的首选位点为 ER8车轮钢，对其轮辋踏面区域进行检测分析，对 珠光体团，裂纹沿着铁素体渗碳体界面和珠光体 两组车轮钢命名为1和2金相试样的取样位置 团界面传播.因为裂纹扩展所需的大部分能量被 如图1所示，其化学成分如表1所示，金相组织观 铁素体和渗碳体界面吸收，所以珠光体片层间距 察前用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀. 越小，裂纹扩展速率越小9 从平行于两组车轮钢踏面5mm处切取板状原位 此外，还有大量学者对贝氏体组织中的裂纹 拉伸试样，中心部分尺寸为8mm×12mm,厚度均 及裂纹尖端能量进行研究.Guan与YuIo研究了 为1mm.图2是两组车轮钢在室温下的拉伸实验 具有铁素体-珠光体组织和铁素体-贝氏体组织的 强度数据.动态拉伸台的加载能力为2kN,两组车 热轧低碳钢的原位拉伸，表明在贝氏体中能够观 轮钢试样的抗拉强度在一定范围内变化，故对试 察到频繁的裂纹分支.陈林等川研究了等温盐浴 样选取的厚度保持一致.原位拉伸试样用2000砂 淬火组织中的疲劳裂纹扩展情况，表明在等温盐 纸打磨后，再用体积分数为15%的高氯酸溶液电 浴中得到的贝氏体组织的裂纹扩展速率最慢.孙 解抛光，将试样夹持在Quanta FEG650型扫描电 志永等研究了含有初始裂纹的贝氏体钢的性 镜的动态拉伸台观察加载过程中裂纹的萌生及组 能，表明当贝氏体试样内部含有裂纹，裂纹尖端存 织变形 在应力集中.微观组织在拉伸过程中受到拉力的 作用，微观组织发生不同程度的塑性变形 Teshima等l)研究表明因为铁素体基体的塑性变 形受到层状渗碳体的限制，具有平行或垂直于拉 伸方向排列的渗碳体薄片不会因拉力而显著变 形.Masoumi等u研究表明由于存在诱导的剪切 应变，珠光体形态在变形过程中沿45°重新定向， 高度变形的晶粒可以通过减少储存的能量促进裂 纹的萌生和传播.渗碳体是硬质相，铁素体是软质 130 相，具有不同刚度值的相的分布通常会影响裂纹 的生长行为啊.先共析铁素体比珠光体具有更大 图1ER8车轮钢轮辋踏面区域取样示意图（单位：mm) Fig.I Schematic diagram of sampling area of steel rim tread of ER8 的初始延性，因此先共析铁素体中塑性变形的积 wheel steel (unit:mm) 累开始得更早.当延性耗尽时，裂纹会沿着先共析 2实验结果与分析 铁素体开始萌生与扩展6-1刀，塑性变形的渗碳体 在临界应变作用下出现裂纹，这种裂纹进一步引 2.1微观组织特征 发珠光体钢的韧性断裂.由于铁素体的屈服强度 图3是1和2车轮钢的微观组织图.从图3(a)

crack growth and plays an important role in deflecting crack path and delaying crack growth. Moreover, it hinders the deformation of ferrite and pearlite. KEY WORDS    ER8 wheel steel；upper bainite；crack；in situ stretching；plastic deformation 铁素体和珠光体是铁路车轮钢中常见的两种 微观组织，不同含碳量得到的组织含量也不同[1] . 车轮钢的微观组织结构不同，变形断裂过程也不 一样[2] . 对车轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先 共析铁素体中形核并沿界面上网状铁素体扩展， 疲劳裂纹往往受阻于珠光体[3] . 当裂纹激发微观结 构中的硬质相时，裂纹尖端扩展可能受阻或偏转[4] . 在高应力强度因子范围内，铁素体−珠光体钢中的 裂纹易于沿着铁素体/珠光体界面的弱区传播[5] . 利用原位扫描电子显微镜揭示不同类型微观组织 对裂纹扩展的影响以及裂纹的闭合现象[6−7] . 此 外 ，Toribio 等[8] 研究表明裂纹萌生的首选位点为 珠光体团，裂纹沿着铁素体/渗碳体界面和珠光体 团界面传播. 因为裂纹扩展所需的大部分能量被 铁素体和渗碳体界面吸收，所以珠光体片层间距 越小，裂纹扩展速率越小[9] . 此外，还有大量学者对贝氏体组织中的裂纹 及裂纹尖端能量进行研究. Guan 与 Yu[10] 研究了 具有铁素体-珠光体组织和铁素体−贝氏体组织的 热轧低碳钢的原位拉伸，表明在贝氏体中能够观 察到频繁的裂纹分支. 陈林等[11] 研究了等温盐浴 淬火组织中的疲劳裂纹扩展情况，表明在等温盐 浴中得到的贝氏体组织的裂纹扩展速率最慢. 孙 志永等[12] 研究了含有初始裂纹的贝氏体钢的性 能，表明当贝氏体试样内部含有裂纹，裂纹尖端存 在应力集中. 微观组织在拉伸过程中受到拉力的 作 用 ， 微 观 组 织 发 生 不 同 程 度 的 塑 性 变 形 . Teshima 等[13] 研究表明因为铁素体基体的塑性变 形受到层状渗碳体的限制，具有平行或垂直于拉 伸方向排列的渗碳体薄片不会因拉力而显著变 形. Masoumi 等[14] 研究表明由于存在诱导的剪切 应变，珠光体形态在变形过程中沿 45°重新定向， 高度变形的晶粒可以通过减少储存的能量促进裂 纹的萌生和传播. 渗碳体是硬质相，铁素体是软质 相，具有不同刚度值的相的分布通常会影响裂纹 的生长行为[15] . 先共析铁素体比珠光体具有更大 的初始延性，因此先共析铁素体中塑性变形的积 累开始得更早. 当延性耗尽时，裂纹会沿着先共析 铁素体开始萌生与扩展[16−17] . 塑性变形的渗碳体 在临界应变作用下出现裂纹，这种裂纹进一步引 发珠光体钢的韧性断裂. 由于铁素体的屈服强度 远低于渗碳体，铁素体基体优先经历塑性变形，导 致层状珠光体的屈服强度降低[18] . 对 ER8 车轮钢轮辋踏面区域的组织研究发现 存在上贝氏体. 本文对含有上贝氏体的 ER8 车轮 钢进行裂纹萌生与扩展分析，从而研究裂纹在上 贝氏体及铁素体和珠光体的传播路径. 通过原位 拉伸实验对不同含量的上贝氏体 ER8 车轮钢的变 形过程进行分析. 1    实验材料和方法 实验材料为国外进口的两组不同批次 的 ER8 车轮钢，对其轮辋踏面区域进行检测分析，对 两组车轮钢命名为 1 #和 2 # . 金相试样的取样位置 如图 1 所示，其化学成分如表 1 所示，金相组织观 察前用体积分数为 4% 的硝酸酒精溶液进行腐蚀. 从平行于两组车轮钢踏面 5 mm 处切取板状原位 拉伸试样，中心部分尺寸为 8 mm×12 mm，厚度均 为 1 mm. 图 2 是两组车轮钢在室温下的拉伸实验 强度数据. 动态拉伸台的加载能力为 2 kN，两组车 轮钢试样的抗拉强度在一定范围内变化，故对试 样选取的厚度保持一致. 原位拉伸试样用 2000#砂 纸打磨后，再用体积分数为 15% 的高氯酸溶液电 解抛光，将试样夹持在 Quanta FEG 650 型扫描电 镜的动态拉伸台观察加载过程中裂纹的萌生及组 织变形. 2    实验结果与分析 2.1    微观组织特征 图 3 是 1 #和 2 #车轮钢的微观组织图. 从图 3（a） 130 80 10 10 70 图 1    ER8 车轮钢轮辋踏面区域取样示意图 (单位：mm) Fig.1     Schematic  diagram  of  sampling  area  of  steel  rim  tread  of  ER8 wheel steel (unit: mm) · 748 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

李迁等：含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 ,749· 表1ER8车轮钢化学成分（质量分数） Table 1 ER8 wheel steel chemical composition o Sample C Si Mn Cr Mo Ni Fe 1 0.50 0.34 0.74 0.002 0.007 0.19 0.03 0.17 0.02 Bal. 2 0.49 0.35 0.74 0.001 0.007 0.19 0.03 0.15 0.04 Bal. 1000 1车轮钢中的上贝氏体成细长状，并具有一定的 ☐Yield strength 方向性，而2车轮钢中的贝氏体成短棒状，方向性 800 ☐Tensile strength 不明显.图3()和3(f)分别是1和2#车轮钢的透 600 射电镜照片，可以看出1#车轮钢中渗碳体较2车 轮钢大.上贝氏体在光镜下呈现羽毛状，且在透射 400 电镜下的渗碳体尺寸不一，利用金相定量法对两 200 组ER8车轮钢的组织含量进行统计，结果表明， 1和2车轮钢组织中上贝氏体，珠光体和铁素体的 2* 体积分数比分别为80%：15%：5%和50%：40%： Sample number 10%. 图2车轮钢拉伸实验的强度数据 2.2上贝氏体裂纹扩展观察 Fig.2 Tensile test strength data of wheel steel Pardoen等u,研究了车轮钢和钢轨表面的受 和3(b)可以明显看出，1和2车轮钢的室温组织 力情况以及表面形貌变化，表明了车轮钢在运行 均由铁素体(Ferrite)+珠光体(Pearlite)+上贝氏体 过程中受到牵引力、剪切应力与切向力的共同作 (Upper bainite)组成，但是其中各相的所占的比例 用从而在表面形成剥离坑.当轮轨等效接触应力 不同，其中尤以上贝氏体最明显.1和2*车轮钢的 大于材料的屈服极限，以及冲击载荷与循环接触 扫描组织如图3(c)和3(d)所示，可见1和2车轮 应力的联合作用，使得踏面上的塑性变形不断累 钢中的珠光体片层间距均很细小，达到110nm 加，并在车轮表面产生挤入沟和挤出沟，从而在车 (a) (b) (c) Cementite d (e) 图3ER8车轮钢微观组织图.(a)1光镜组织：(b)2光镜组织：(c)1扫描组织：()2扫描组织：(e)1透射组织：()2透射组织 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)2transmission structure

和 3（b）可以明显看出，1 #和 2 #车轮钢的室温组织 均由铁素体（Ferrite）+珠光体（Pearlite）+上贝氏体 （Upper bainite）组成，但是其中各相的所占的比例 不同，其中尤以上贝氏体最明显. 1 #和 2 #车轮钢的 扫描组织如图 3（c）和 3（d）所示，可见 1 #和 2 #车轮 钢中的珠光体片层间距均很细小，达到 110 nm. 1 #车轮钢中的上贝氏体成细长状，并具有一定的 方向性，而 2 #车轮钢中的贝氏体成短棒状，方向性 不明显. 图 3（e）和 3（f）分别是 1 #和 2 #车轮钢的透 射电镜照片，可以看出 1 #车轮钢中渗碳体较 2 #车 轮钢大. 上贝氏体在光镜下呈现羽毛状，且在透射 电镜下的渗碳体尺寸不一. 利用金相定量法对两 组 ER8 车轮钢的组织含量进行统计，结果表明， 1 #和 2 #车轮钢组织中上贝氏体，珠光体和铁素体的 体积分数比分别为 80%∶15%∶5% 和 50%∶40%∶ 10%. 2.2    上贝氏体裂纹扩展观察 Pardoen 等[19] 研究了车轮钢和钢轨表面的受 力情况以及表面形貌变化，表明了车轮钢在运行 过程中受到牵引力、剪切应力与切向力的共同作 用从而在表面形成剥离坑. 当轮轨等效接触应力 大于材料的屈服极限，以及冲击载荷与循环接触 应力的联合作用，使得踏面上的塑性变形不断累 加，并在车轮表面产生挤入沟和挤出沟，从而在车 表 1  ER8 车轮钢化学成分（质量分数） Table 1  ER8 wheel steel chemical composition % Sample C Si Mn S P Cr Mo Ni V Fe 1 # 0.50 0.34 0.74 0.002 0.007 0.19 0.03 0.17 0.02 Bal. 2 # 0.49 0.35 0.74 0.001 0.007 0.19 0.03 0.15 0.04 Bal. 1000 800 600 400 200 0 1 # 2 # Strength/MPa Sample number Yield strength Tensile strength 图 2    车轮钢拉伸实验的强度数据 Fig.2    Tensile test strength data of wheel steel Ferrite Ferrite Ferrite Ferrite Pearlite Pearlite Pearlite Pearlite Pearlite Upper bainite Cementite Cementite Upper bainite Upper bainite Upper bainite 20 μm 10 μm 0.5 μm 20 μm 10 μm 0.5 μm Ferrite Ferrite Ferrite Ferrite Pearlite Pearlite Pearlite Pearlite Pearlite Upper bainite Cementite Cementite Upper bainite Upper bainite Upper bainite (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 3    ER8 车轮钢微观组织图. （a）1 #光镜组织；（b）2 #光镜组织；（c）1 #扫描组织；（d）2 #扫描组织；（e）1 #透射组织；（f）2 #透射组织 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 李    迁等： 含有上贝氏体的 ER8 车轮钢的裂纹扩展行为 · 749 ·

.750 工程科学学报，第42卷，第6期 轮的踏面处形成贝纹状的剥落坑0.图4是车轮 扩展过程中的尖端走向观察不够清晰.图5对车 钢轮辋踏面的裂纹形成与扩展显微图.1车轮钢 轮钢的裂纹扩展进行高倍数观察.图5(a)中裂纹 的接触表面如图4(a)所示，表面形成尺寸不一的 从接触表面萌生并开始扩展，越靠近车轮钢的表 剥离坑且有大量细小的裂纹存在，磨损后的表面 面塑性变形程度越严重.图5(b)中裂纹穿过上贝 粗糙且存在大量从表面向车轮心部扩展的裂纹 氏体进行扩展，在此过程中由于受到上贝氏体及 1车轮钢的裂纹扩展如图4(b)所示.由图可以看 不同取向的珠光体片层的阻碍而产生分支裂纹 出1试样的裂纹是从剥离坑中萌生，然后在车轮 分支裂纹发生弯曲，驱使裂纹尖端向能量低的方 与钢轨接触的垂向载荷作用下以一定角度向车轮 向扩展.图5(c)和图5(d)中裂纹在上贝氏体区域 内部扩展.可以明显的看出，裂纹的扩展路径与上 内扩展，裂纹发生弯曲和产生分支裂纹.裂纹扩展 贝氏体的分布无关.一般来说，出现穿晶裂纹的材 最终停止在珠光体区域.当裂纹尖端扩展至上贝 料的韧性比出现沿晶裂纹的材料的韧性更高，这 氏体，裂纹扩展路径较为弯曲.上贝氏体中的渗碳 与裂纹的扩展和裂纹形成前的高塑性应变有关四 体作为硬质相，裂纹在扩展过程中容易阻碍裂纹 从裂纹扩展路径可以看出，裂纹扩展较为笔直，并 尖端扩展.裂纹尖端方向在上贝氏体之间连续变 未找到分支裂纹的存在.扩展过程中由于受到上 化，当裂纹扩展至上贝氏体区域时发生转向，迫使 贝氏体及不同取向的珠光体片层影响，裂纹最终 裂纹形成更长的轨迹，从而产生更多的裂纹分支 停止在珠光体区域. 图5(e)和图5(f)中裂纹穿过珠光体区域扩展.裂 2车轮钢的裂纹扩展如图4(c)和4(d)所示 纹在珠光体区域内受阻产生分支，分支裂纹继续穿 由图可以看出2试样的裂纹产生于剥离坑，而表 过珠光体扩展.裂纹在上贝氏体区域内扩展的路 面形成的剥离坑会进一步促进次表面的裂纹的形 径比裂纹在珠光体区域内扩展的路径更加弯折 成.次表面受到应力作用产生塑性变形，组织沿着 由于铁素体属于软质相，裂纹在铁素体中更 滚动方向形成流线型的塑性变形区.裂纹在扩展 能自由地传播.然而，在上贝氏体中观察到频繁的 过程中穿过上贝氏体扩展.裂纹扩展路径较为笔 裂纹分支.与珠光体相比，裂纹在上贝氏体中扩展 直，裂纹扩展过程中不易形成分支裂纹.对裂纹尖 更为曲折.这表明上贝氏体能够有效地阻止了裂 端的微观组织的观察可知，裂纹的扩展最终停止 纹扩展，在偏转裂纹路径和延缓裂纹扩展方面起 在珠光体区域 着重要作用.而裂纹分支可以降低裂纹驱动力，并 图4对裂纹扩展进行了低倍的观察，但对裂纹 对裂纹扩展的阻碍起到重要作用.当裂纹尖端扩 (a) 6 2 mm (c) (d 400μm 500m 图4ER8车轮钢轮辋踏面的裂纹形成与扩展显微图.(a)1车轮钢表面剥离坑：(b)1车轮钢裂纹扩展：(c,d)2车轮钢裂纹扩展 Fig.4 Micrograph of crack formation and propagation on rim tread of ER8 wheel steel:(a)1wheel steel surface peel pit(b)crack growth ofwheel steel;(c,d)crack growth of 2 wheel steel

轮的踏面处形成贝纹状的剥落坑[20] . 图 4 是车轮 钢轮辋踏面的裂纹形成与扩展显微图. 1 #车轮钢 的接触表面如图 4（a）所示，表面形成尺寸不一的 剥离坑且有大量细小的裂纹存在，磨损后的表面 粗糙且存在大量从表面向车轮心部扩展的裂纹. 1 #车轮钢的裂纹扩展如图 4（b）所示. 由图可以看 出 1 #试样的裂纹是从剥离坑中萌生，然后在车轮 与钢轨接触的垂向载荷作用下以一定角度向车轮 内部扩展. 可以明显的看出，裂纹的扩展路径与上 贝氏体的分布无关. 一般来说，出现穿晶裂纹的材 料的韧性比出现沿晶裂纹的材料的韧性更高，这 与裂纹的扩展和裂纹形成前的高塑性应变有关[21] . 从裂纹扩展路径可以看出，裂纹扩展较为笔直，并 未找到分支裂纹的存在. 扩展过程中由于受到上 贝氏体及不同取向的珠光体片层影响，裂纹最终 停止在珠光体区域. 2 #车轮钢的裂纹扩展如图 4（ c）和 4（d）所示. 由图可以看出 2 #试样的裂纹产生于剥离坑，而表 面形成的剥离坑会进一步促进次表面的裂纹的形 成. 次表面受到应力作用产生塑性变形，组织沿着 滚动方向形成流线型的塑性变形区. 裂纹在扩展 过程中穿过上贝氏体扩展. 裂纹扩展路径较为笔 直，裂纹扩展过程中不易形成分支裂纹. 对裂纹尖 端的微观组织的观察可知，裂纹的扩展最终停止 在珠光体区域. 图 4 对裂纹扩展进行了低倍的观察，但对裂纹 扩展过程中的尖端走向观察不够清晰. 图 5 对车 轮钢的裂纹扩展进行高倍数观察. 图 5（a）中裂纹 从接触表面萌生并开始扩展，越靠近车轮钢的表 面塑性变形程度越严重. 图 5（b）中裂纹穿过上贝 氏体进行扩展，在此过程中由于受到上贝氏体及 不同取向的珠光体片层的阻碍而产生分支裂纹. 分支裂纹发生弯曲，驱使裂纹尖端向能量低的方 向扩展. 图 5（c）和图 5（d）中裂纹在上贝氏体区域 内扩展，裂纹发生弯曲和产生分支裂纹. 裂纹扩展 最终停止在珠光体区域. 当裂纹尖端扩展至上贝 氏体，裂纹扩展路径较为弯曲. 上贝氏体中的渗碳 体作为硬质相，裂纹在扩展过程中容易阻碍裂纹 尖端扩展. 裂纹尖端方向在上贝氏体之间连续变 化，当裂纹扩展至上贝氏体区域时发生转向，迫使 裂纹形成更长的轨迹，从而产生更多的裂纹分支. 图 5（e）和图 5（f）中裂纹穿过珠光体区域扩展. 裂 纹在珠光体区域内受阻产生分支，分支裂纹继续穿 过珠光体扩展. 裂纹在上贝氏体区域内扩展的路 径比裂纹在珠光体区域内扩展的路径更加弯折. 由于铁素体属于软质相，裂纹在铁素体中更 能自由地传播. 然而，在上贝氏体中观察到频繁的 裂纹分支. 与珠光体相比，裂纹在上贝氏体中扩展 更为曲折. 这表明上贝氏体能够有效地阻止了裂 纹扩展，在偏转裂纹路径和延缓裂纹扩展方面起 着重要作用. 而裂纹分支可以降低裂纹驱动力，并 对裂纹扩展的阻碍起到重要作用. 当裂纹尖端扩 Spalling Crack Upper bainite Spalling Spalling Upper bainite Deformation 200 μm 400 μm 500 μm 2 mm (a) (c) (d) (b) 图 4    ER8 车轮钢轮辋踏面的裂纹形成与扩展显微图. （a）1 #车轮钢表面剥离坑；（b）1 #车轮钢裂纹扩展；（c,d）2 #车轮钢裂纹扩展 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 · 750 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期