【摘 要】
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轨道用贝氏体钢因其综合性能优异而倍受青睐,然而在其服役过程中遇到的腐蚀、环境疲劳以及环境磨损等诸多问题急需解决。在其实际生产中,存在的异常组织也在一定程度上影响其环境服役性能。鉴于此,本文以轨道用贝氏体钢为研究对象,利用先进的微观分析技术探究显微组织以及轧制变形量等因素对腐蚀以及磨损等性能影响规律,并深入研究了环境氢的渗透以及氢对轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳损伤以及磨损的影响机理,得到如下主要结论
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轨道用贝氏体钢因其综合性能优异而倍受青睐,然而在其服役过程中遇到的腐蚀、环境疲劳以及环境磨损等诸多问题急需解决。在其实际生产中,存在的异常组织也在一定程度上影响其环境服役性能。鉴于此,本文以轨道用贝氏体钢为研究对象,利用先进的微观分析技术探究显微组织以及轧制变形量等因素对腐蚀以及磨损等性能影响规律,并深入研究了环境氢的渗透以及氢对轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳损伤以及磨损的影响机理,得到如下主要结论:经过不同温度盐浴以及油淬热处理工艺,分别得到不同板条厚度的无碳化物贝氏体以及马氏体显微组织的轨道用贝氏体钢。显微组织以及力学性能测试的结果表明,随着盐浴温度由320℃升高到395℃,轨道用贝氏体钢的孪晶密度以及位错密度增加,冲击韧性、断裂韧性降低,疲劳裂纹扩展门槛值呈现降低趋势。经过油淬处理后,轨道用贝氏体钢的孪晶宽度、孪晶密度以及位错密度最大,强度最高、塑韧性最差以及疲劳裂纹扩展门槛值较低。经过320℃盐浴处理后,轨道用贝氏体钢的贝氏体铁素体板条更加细小、残奥含量较低、腐蚀电流以及盐雾腐蚀增重大大降低;经395℃盐浴处理后,试样盐雾腐蚀增重最大,腐蚀坑较大较深。与H2SO4以及Na OH溶液相比,在Na Cl溶液中,轨道用贝氏体钢的腐蚀电流密度、磨损失重以及摩擦系数最大。经过轧制变形后,轨道用贝氏体钢的腐蚀电流减小,说明轧制变形有效的改善了其腐蚀性能。在接触应力为1.7 GPa时,轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳中值寿命约为8.1×10~6r,安全寿命约为4.6×10~6 r。在滚动接触疲劳过程中,表面产生严重的塑性变形层及纳米晶层,其滚动接触疲劳失效形式为浅层剥落,遵循纳米晶层的“产生—剥落—产生”的循环过程。纳米晶的形成机制为动态低温回复及再结晶。经过滚动接触疲劳后,其表面的硬度显著升高、摩擦系数以及弹性模量降低。随着盐浴温度由320℃升高到395℃,有效氢扩散系数逐渐降低,经过油淬处理后,有效氢扩散系数最大,为5.55×10-5 cm~2/s。随着变形量的增加,320℃盐浴的轨道用贝氏体钢的氢陷阱数量大幅增加,有效氢扩散系数从4.16×10-5 cm~2/s降低到1.06×10-5 cm~2/s。研究了充氢后轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳性能。在接触应力为1.7 GPa时,充氢3 h后的轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳中值寿命约为2.4×10~6 r,安全寿命约为0.3×10~6 r。在滚动接触疲劳过程中,氢降低了轨道用贝氏体钢表面的位错密度、抑制低温动态回复及再结晶,致使轨道钢表面的贝氏体板条组织仅产生碎化、阻碍了表面纳米晶层的产生、加速了表面疲劳裂纹的形成,恶化了滚动接触疲劳性能。但是,氢促进试样表面的残余奥氏体加速转变为马氏体,提高了硬度,从而增加了耐磨性。
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