贝氏体研究分析报告

目录摘要4一、贝氏体相变41. 贝氏体相变受到重视的原因42.一些材料中的贝氏体相变及其新近应用42.1钢中贝氏体相变52.2 Cu一基合金中贝氏体相变及其应用6二、贝氏体相变特点7l 珠光体和贝氏体的相组成物不同72 相变的晶核不同，固溶碳含量不同73 两种相交产物形貌不同84 珠光体和贝氏体的亚结构不同85 两种相变产物的位向关系不同95.1 珠光体中的铁素体和渗碳体之间的取向关系95.2 撒氏体中的位向关系96 其它方面的区别9三、贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用10l 组织结构102 力学性能102.1冲击韧性102.2 断裂韧性112.3 耐磨性硬接煞疲劳寿命113 工艺性能及生产应用123.1等温淬火后零件的尺寸变化123.2 残留应力：123.3 尺寸稳定性1334畸变控制及整形133.5 应用效果13四、贝氏体钢轨在道岔中的应用141 贝氏体钢轨的特性与研究15(1) 贝氏体钢轨的化学成分15(2) 贝氏体钢轨力学性能15(3) 贝氏体钢轨的组织16(4) 氢氧含量16(5) 脱碳及夹杂16(6) 室温拉伸及冲击16(7) 硬度162 贝氏体钢轨的跟端加工工艺研究17（1） 跟端锻造17（） 跟端锻造后的热处理17（3） 机械加工17五、贝氏体钢的研究开发现状与发展前景181 贝氏体钢的分类与特点18（1） Mo-B系或Mo系贝氏体钢18（2） Mn-B系贝氏体钢18（3）新型准贝氏体钢182 贝氏体钢在工业生产中的应用19（1） 贝氏体非调质钢19（2） 超高强度贝氏体钢19（3） 贝氏体钢在塑料模具行业的应用19（4） 耐磨钢20（5） 贝氏体钢板材203 贝氏体钢的发展前景展望21六、关于贝氏体系列钢的研究建议211 贝氏体钢产品品种的开发212 加强控轧贝氏体钢的研制21七、调研报告心得体会21参考文献23摘要：简介了贝氏体相变、贝氏体相变特点、贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用、贝氏体钢轨在道岔中的应用、贝氏体钢的研究开发现状与发展前景等，最后本作者根据某些论文根据提供某些自己的有关贝氏体系列钢的研究建议，目前贝氏体钢研究的重要成果涉及Mo-B系列、Mn-B系列、新型准贝氏体钢系列、超细组织空冷贝氏体钢等；贝氏体钢技术在生产领域中已得到推广与应用；随着贝氏体钢技术研究的进一步进一步，贝氏体钢的推广应用品有广阔的前景。一、贝氏体相变1. 贝氏体相变受到注重的因素：一是钢中贝氏体可以既具高的强度，又呈良好韧性，用途前景看好，近年贝氏体钢发展迅猛，现代低合金TRIP钢的热解决中有贝氏体相变；二是贝氏体相变的机制自1971年Hehemann乘lAaronson等的辩争以来，仍未获得较为一致的见解，相变的复杂性引起关注。对这个相变机制切变还是扩散型的观点都浮现较大分歧，延续至今，几十年来，人们虽在结识上有不少进展，但仍有原则性争议，可见贝氏体相变的复杂性。2.某些材料中的贝氏体相变及其新近应用具有马氏体相变的材料在Ms温度以上往往存在贝氏体相变，除钢外，诸多有色合金，如CU一基合金，AgCd合金、Ti一基合金、NiCr等，以及某些陶瓷材料中都具有贝氏体相变。本文仅简介钢、Cu基合金(重要为CuZnA1形状记忆合金)矛UZrO：陶瓷中的贝氏体相变及其较新应用。2.1钢中贝氏体相变 早在1929年，Robertsonll21发现钢中不同于珠光体和马氏体的非层状(棒状、片状)显微组织，1930年Davenport和Baintl31称此类组织为针状屈氏体，后来为予以Bain以荣誉，称此为贝氏体。一般以珠光体相变温区如下、马氏体形成温度（Ms）以上温区形成的相变产物称为贝氏体，如上图所示，但有些钢(如高速钢)中，Ms温度如下也形成贝氏体，或呈现其她较复杂的状况。Mehltlsl又将较高温度形成的贝氏体(如上图(a)贝氏体C曲线鼻部温度以上形成的贝氏体)为上贝氏体，较低温度(如贝氏体C曲线鼻部温度如下)形成的贝氏体为下贝氏体。前者以羽毛状组织为典型组织，其脆性较大；下贝氏体多呈片状具强韧性，为材料工作者所青睐。但为获得性能良好的下贝氏体组织，必须进行等温解决，在生产技术上不甚便利。上世纪50年代发展MoB系钢161，可由空冷获得贝氏体组织，称为贝氏体钢，并发展出由铁素体和马氏体一奥氏体(MA)岛状物构成的粒状贝氏体D7，后经发现此类组织较脆。清华大学方鸿生研究组在上世纪70年代推出MnB系贝氏体钢，后来又发展出：经合适控制MA岛数量及尺寸，得到强韧性配合较好的粒状贝氏体钢，如12Mn2VB钢经锻轧后空冷，其力学性能达到500MPa，Rm800MPa，A14，Z40，50；经高温回火，小岛组织分解，韧性进一步提高，达中碳钢调质后的水平：500MPa，Rm700MPa，A17，Z45，80。该钢轧后空冷，再经中温回火后可用作汽车前桥、连杆等以替代中碳或中碳合金调质钢。前唐山贝氏体钢厂以该钢用作抽油杆，来替代20CrMo调质钢，其空冷后的力学性能达750MPa，Rm900MPa，A12，Z45，以及58。她们又在以往工作先形成一定数量的下贝氏体，以分割奥氏体晶粒，再形成马氏体，这样的复合组织，较单一组织的韧性更高)的基本上，发展出下贝氏体一马氏体复相组织钢(0.4%CMnB系贝氏体钢)经440回火，使晶界碳化物汇集，以提高韧性f2025l。方鸿生等还推出了含1.8Si的MnB系无碳化物贝氏体、马氏体复相组织钢，其中贝氏体亚单元间为宽约7nm残存奥氏体所包围，这些残存奥氏体薄膜具有较高的热稳定性和力学稳定性，从而可在较高温度回火，提高韧性。如含18Si的中碳MnB系贝氏体钢以16min的冷却速度持续冷却、并经300回火后，其冲击韧度为96，硬度高达48HRC。她们又发展出含高硅稀土元素及钛的贝氏体铸钢，以及改善焊接性能的超低碳贝氏体钢(强度为500800MPa)，在某些钢厂生产，用作石油管道、造船及海洋工程125。西北工业大学康沫狂研究组也在含贝氏体组织钢的开发作出卓越奉献，如将低碳空冷贝氏体钢经300回火以及加硅，明显改善粒状贝氏体的韧性。攀钢新近研制成强度超过1000MPa的珠光体钢，拟用于钢轨，以提高耐磨性。鉴于贝氏体钢的强度能提高更多，开发贝氏体钢用于钢轨，将会呈现更大价值。Coballero(西班牙)和Bhadeshia设计出在较低温度(125或150)形成贝氏体的新钢种，由于形成温度低，贝氏体片厚度仅2040nm，其片间为残存奥氏体膜，不仅强度超过25GPa，硬度超过600HV，且韧性不小于3040，号称“很强的贝氏体”，其成分如表1，其中碳含量较高，为的是减少贝氏体形成温度(Bs)，加入Mn、Cr为的是提高奥氏体的稳定性，加Mo以消除回火脆性(钢中不可避免含P)，含足够的Si以阻碍碳化物的沉淀。此类钢的缺陷是所需等温解决时间很长，如表1中A和B钢贝氏体相变时间在125325间需时2至60天。为了缩短解决时间，需加入增高自由能的元素Co或(和)Al(2wt如下)，如表1中C和D钢，解决时间减少至以半小时计。细化奥氏体晶粒，既能加快解决，并使残存奥氏体进一步稳定化。新近研发出的3Cr-15W一075Mo025V01Ta贝氏体钢在615具有较高的抗蠕变性能，可作为贝氏体相变现代应用的一种范例。低铬、低碳贝氏体钢如01C30Cr一30W一025V一010Ta贝氏体钢，具有高的强度，易加工和焊接，能较安全地合用于核动能反映器。2.2 Cu一基合金中贝氏体相变及其应用早在1954年，Garwoodt321发现Cu一41.3Zn(wt)在350如下、M。温度以上，呈贝氏体相变，经上世纪60年代至70年代这相继被证明。Takezawa等得到CuZnA1马氏体上淬形成贝氏体，其构造为“9R”。杨大智等得到其构造属N9R，吴明雄等381得到：经350短时间时效，贝氏体为N9R，而经150-96h解决后为M18R构造。已揭示贝氏体经时效后，其内部的层错密度会下降，最后变成仪相。CuZnA1合金中，贝氏体相变的动力学特性，属扩散型相变。70年代，发现具有形状记忆效应的CuZnSiSn合金经低温马氏体变形后、加热至250以上形成贝氏体时，其形状恢复了低温马氏体变形后的形状，而不是保持母相的形状，称为“逆形状记忆效应”。后来在CuZnA1中也发现同样效应，如图4所示，Cu一30.2Zn一2.2Al(wt)合金(Ms=269K)片状试样经在293K弯成142角，试样内局部形变诱发马氏体，随后加热过程中部分马氏体逆相变为母相，产生形状记忆效应(SME)，弯曲角变小；加热至520K以上形成贝氏体，弯曲角又复增大，显示逆形状记忆效应(RSME)。又如Cu一3 1.6Zn一4.2Al(at)合金带经弯成半径为20mm盘状，去应力后，盘状浮现开口，见图5(a)；然后加热至As以上(473K)，呈现形状记忆效应，开口张大，如图(5b)，经在473K保温6ks后，形成贝氏体，盘带又封口，显示逆形状记忆效应，如图5(c)所示。实验发目前拉应力下形成贝氏体，试样继续伸长，我们得到在压应力下形成贝氏体时，试样会继续压缩。CuZnA1合金形成贝氏体所引起的宏观形状变化逆形状记忆效应可望在工业上，特别在较高工作温度时应用。二、贝氏体相变特点l 珠光体和贝氏体的相构成物不同：众所周知，珠光体由共析铁素体+共析碳化物(渗碳体或特殊碳化物)两相构成。而贝氏体可以由贝氏体铁素体(BF)+渗碳体构成，或铁素体+残留奥氏体构成，或铁素体+MA岛构成，或铁素体+e一碳化物+残留奥氏体+马氏体等多相构成。如图1所示。可见，图(a)有F+碳化物；(b) 有BF+eFexC+Y 7；(c)有BF+Y 7；(d)有F+MA岛。相构成物截然不同。 2 相变的晶核不同，固溶碳含量不同：过冷奥氏体共析分解为珠光体，其晶核是两相，即由(F+碳化物)构成。共析分解反映式为：AF+R3C，两相共析共生，以共享台阶协同长大。虽然目前应用任何设备仪器均不能直接观测到晶核的大小和形貌，但从其长大的迹象可作科学地分析。图2为珠光体在晶界形核一长大的电镜照片。可见，几片铁素体和渗碳体己经构成一种小珠光体团。它显然是两相共析共生的成果。铁素体(F)具有平衡含碳量。然而，贝氏体的晶核是单相：即贝氏体铁素体（BF)，其初始碳含量是过饱和的。贝氏体碳化物并不与贝氏体铁素体共析共生，也许完全不能析出，而形成无碳化物贝氏体，也也许需要保温很长时间，才形成渗碳体或。贝氏体在原奥氏体晶界形核一长大照片如图3所示。该图是20CrMo钢的过冷奥氏体在530。C等温3s后淬火得到的组织，可见，贝氏体铁素体在奥氏体晶界形核并长大。 3 两种相交产物形貌不同：珠光体有片状、粒状、棒状、柱状等形貌，铁素体基体也有冀状窝等辘状等形态。贝氏体的形貌极为复杂，名称较多，诸如无碳贝氏体、羽琵状贝氏体、粒状贝氏体、准上贝氏体、准下贝氏俸、逆煲氏体、柱状煲氏体、芰三焦型煲氏体、“N”贝氏体、蝴蝶型贝氏体、特殊下贝氏体等。贝氏体组织形态的多样性阐明了贝氏体相变的极其复杂性。上、下煦氏体是老式的贝氏体分类。形态各异的贝氏体，其实都是上贝氏体或下贝氏体的变态。英氏体相交楚自组织的，圆一钢种，在不溺翡热解决条件下，系统可以转变为不同形貌的贝氏体。4 珠光体和贝氏体的亚构造不同人们很少提及珠光体的亚构造，重要是由于珠光体是平餐组织或接近平衡状态的组织。其中赡位错密度低，约为106cm。图4(a)为H13钢的片状珠光体的电镜照片，黑色片条是特殊碳化物，难以番婺其中的亚结梅。贝氏体是中温区的非平衡相变产物，具有转变不完全性。近年来的研究发现贝氏体铁素体的亚构造，蠹容丰富，竭力复杂，贝氏体铁素体片条由亚片条、亚单元、乃至超细亚单元构成，界面积很大，界面能高，如图4(b，c，d)。位错密度也较高，约失，位错储存戆离。甚至发现存在糟缨孪晶，如图(e)。固然持扩散台阶观点的学者不认同孪晶的存在，但是根据贝氏体相变的过渡性质和多名研究者的实验观测，贝氏体中存在李磊是也许酶。铁 5 两种相变产物的位向关系不同贝氏体的形貌极为复杂，名称较多，诸如无碳贝氏体、羽琵状贝氏体、粒状贝氏体、准上贝氏体、准下贝氏俸、逆煲氏体、柱状煲氏体、芰三焦型煲氏体、“N”贝氏体、蝴蝶型贝氏体、特殊下贝氏体等。贝氏体组织形态的多样性阐明了贝氏体相变的极其复杂性。上、下煦氏体是老式的贝氏体分类。形态各异的贝氏体，其实都是上贝氏体或下贝氏体的变态。英氏体相交楚自组织的，圆一钢种，在不溺翡热解决条件下，系统可以转变为不同形貌的贝氏体14。4珠光体和贝氏体的亚构造不同5 两种相变产物的位向关系不同：5.1 珠光体中的铁素体和渗碳体之间的取向关系：1)在奥氏体与铁素体(AlF)之间存K-S关系，露类氏体与渗碳傣之阕(AI0)存在Pitsch关系；2)铁素体和渗碳体之间可分别存在PitschPetch关系、Bagaryatsky关系。5.2 撒氏体中的位向关系：研究表白，贝氏体铁索体和奥氏体之间同步存在K-S关系和N-W关系。上贝氏体中的渗羰体与铁素体之间的彼向关系符合Pitsch关系。下贝氏体中的碳化物与铁素体之间的位向关系大部分遵循Bagayatski关系和Jack关系。最然，员氐体中翡位隧关系较珠光体酶笈杂，有相似点，也有不同点。与马氏体中的位向关系比较，均具有KS关系和N。W关系。体现贝氏体楣交具有过渡性。6 其他方面的区别：1)珠光体中的铁素体、渗碳体两相存在着比例关系，如共析碳钢的珠光体中，渗碳体的相对量约占13；而贝氏体中各相没有固定的比例关系；碳化物析出量不定，甚至不析出，还会夹杂着残留奥氏体等相。2)贝氏体相变有浮凸现象，而共析分解无浮凸。3)贝氏体相变往往具有不完全性，存在或多或少的残留奥氏体。4)共析分解是扩散型相变，而贝氏体相变一般只有碳原子的扩散，替代原子的扩散很弱，甚至不能发生扩散。三、贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用1937年Wever和Engei在德国、Devenport和Bain在美国几乎同步发既有一种硬度高、类似马氏体的组织存在。这种组织在德国称为“中温组织”，在美国称为“贝氏体”。国外于1954年开始对GCrl5钢皿氏体等温淬火进行研究并逐渐在轴承生产中应用，FAG、SKF等世界出名轴承公司已成功地将等温淬火工艺应用于铁路、汽车、轧机、起重机、钻具等耐冲击和润滑币良的轴承“。国内于20世纪80年代开始对GCrl5钢的贝氏体淬火进行了研究，并陆续应用于铁路货车轴承及轧机轴承的热解决。并于90年代初开始在轧机轴承和提速及准高速铁路轴摩的生产上推广应用尤为迅速，与此同步，开发了适台于贝氏体淬火的新钢种GCrl8Mo。综合国内研究成果可知。下贝氏体()组织能提高高碳铬轴承钢的比例极限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率，与相似温度回火的马氏体(M)相比，具有更高的冲击韧度、断裂韧度、耐磨性及尺寸稳定性，表面应力状态为压应力，但高碳锫轴承锕日淬火对接触疲劳寿命的影响尚缺少统一认。对表面压应力形成和轴承零件尺寸涨大因素也缺少探入研究。l 组织构造：高碳铬轴承钢经下Dl氏体淬火后，其组织由下见氏体、马氏体和未溶碳化物构成。其中皿氏体为不规则相交的条片，条片为碳过饱和的构造，其上措着与片的长轴旱550600的方向分布着粒状或短杆状碳化物。空脚形态为凸透镜状，亚构造为位错，末发现孪晶亚构造。贝氏体的数量及形态因工艺条件不同而各异。随淬火加热温度的升高。贝氏体条变长；等温温度升高贝氏体条变宽，碳化物颗粒变大，且贝氏体条之间的交角变小，逐渐趋向于平行排列，形成类似上贝氏体的形貌”；等温淬火后的贝氏体量随等温时间的延长而增长。GCrl5钢经860奥氏体化、230等温30min，可得到约31 4。等温60mm可得到约57，得到全组织需等温约240min，GCrl8Mo钢得到全。组织需更长时。图1为GCrl5钢不同工艺条件下获得的显微组织。2 力学性能2.1冲击韧性：等温淬火比常规M淬火低温同火(160 X 3h) 值提高1倍以上，与相近温度同失的组织值也有所提高，提高的幅度与淬火加热温度及回火温度有关。表1中的数据，对比组织M淬火加热温度偏高，超过GCrl5钢工艺范畴上限，组织粗化。众所周知，随着淬火温度的提高，M组织冲击韧度下降，因此等温淬火与相近温度回火的M淬回火相比毗值提高幅度较大。一般，组织比相似温度回火的组织值提高幅度2545。2.2 断裂韧性：复合组织的断裂韧度与，量有关，当量由零增长到314时。和分别由18.6、24 14迅速增长到最高值22.54、35.14，随着量继续增长直至全时，和反而逐渐减少，但变化较小，比相似温度回火的组织断裂韧度提高约20。此外，组织具有高的门坎值。和低的裂纹扩展速率da/dN，即全组织不易萌生裂纹，已有的裂纹或新萌生的裂纹也不易扩展。纹或新萌生的裂纹也不易扩展。2.3 耐磨性硬接煞疲劳寿命：一般觉得，全和组织的耐磨性低于淬火低温回火组织，与相似温度回火组织的耐磨性相近或略高。全组织的接触疲劳寿命和，均低于淬火低温回火组织，但与淬火后相矧温度回火组织相比谁优谁劣，意见币统一。对比表1中数据可见，奥氏体化温度偏高的_三组实验成果是一致的，即是全，组织的接触疲劳寿命比相似温度同火组织高，这是由于奥氏体化温度偏高M组织租化，减少了M组织的接触疲劳寿命一般觉得：从820起随着淬火大温度的提高，GCrl5钢M组织的接触疲劳寿命相应提高，845860范畴内接触疲劳寿命获得最高值，当温度继续升高时接触疲劳寿命便明显下降，其他研究成果趋辨基本一敛，也就是全组织与相似温度回火组织接触疲劳寿命相近。但润滑不良条件下(如媒浆或水等介质)，全组织呈现出明显的优越性，具有比低温回火组织还受高的接触疲劳寿命(见图2），如水润滑时全组织的=168h，淬火回火组织的=52h。3 工艺性能及生产应用3.1等温淬火后零件的尺寸变化：在870加热、230等温4h后，小同尺寸的GCrl5钢制轧机轴承套圈尺寸变化见表2。从表2可以看出，在实验零件尺寸给定的条件下，等温淬火后，沿直径方向涨大。平均涨大率近0 3%，不小于M淬火的体积膨胀量，因此轴承套圈采用等温淬火工艺时，车加工艺必须作相应调节，套圈直径较M淬火时应合适减小留磨量。浮现这一现象的也许因素是两者淬火过程中的组织转变规律不同。贝氏体转变是在等温过程中发生。零件的表面与心部几乎同步发生转变。在转变过程中由于大量易变形的奥氏体存在使奥氏体向转变时具有相对自由地发生体积膨胀的空间从而使得轴承零件淬火后内外径尺寸涨大；而M转变是瞬间完毕的，转变过程中表层(特别是外径)先发生转变，形成高强度的壳体，限制了心部转变时的体积群胀。3.2 残留应力：GCrl5钢制轴承零件经等温淬火后表面应力为压应力其值约为一400500MPa,该应力重要是在淬火冷却过程中产生的热应力。热工件进入硝盐槽冷却时，由于硝盐熔液比油的冷却能力大，工件表面与心部温差相应较大，工件表面温降收缩时心部温度高、强度低易于产生变形；而当心部温降收缩时因表层温度更低、强度较高使心部收缩受到牵制，从而使工件表面产生压应力，心部产生拉应力；随着时间的延长，工件表面与心部温度趋向一致，表面与心部组织转变几乎同步进行，在转变过程中，由于大量低强度的奥氏体(A)存在，A转变时体积嘭胀产生的应力因A变形得以释放，因此在整个转变过程中组织应力很小；工件出炉后从230。C降至室温的过程中，由于温差小，且此时基体组织为强度高的全B，热应力比由高温冷至等温温度过程中产生的热应力要小得多，因此整个冷却过程中应力叠加的成果足表面应力状态为压力。3.3 尺寸稳定性：等温淬火后组织由和未溶碳化物构成，残留A很少，在正常使用温度(120)甚至更高温度下，组织是稳定的。不发生明显转变因此上件尺寸比较稳定；而常规M淬回火组织中M内过饱和碳含量较高，H具有一定最的残留奥氏体，使用过程中碳化物进一步析出与残留A分解而引起工件尺寸变化。34畸变控制及整形一般觉得，等温淬火温度较高，对控制畸坐有利，与M淬火相比畸变小。事实上，从实际应用状况看不完全是这样。由于硝盐的冷却速度比油大，如果套圈垂直入盐，则大大增长整个套圈冷却不均匀度和热应力由于后入盐的半个套圈强度较低，在热应力作用下易畸变，畸变量也许不小于M淬火；如果套圈以水平方式人盐，则会减小整个套圈冷却不均匀性，畸变大大减小，用622728/02进行实验各20件，畸变规定0.35mm，以垂直方式淬火后合格率仅为40,而以水平方式淬火合格率为95，因此轴承套圈淬火时应采用水平浸人方式。此外，铁路、轧机轴承内圈多为光筒，形状简朴淬火时畸变小，但由于套圈壁厚大、高度高，一旦畸变超差，整形困难；外圈形状虽然复杂，淬火畸变较大但套圈壁薄、高度低，整形较为容易。3.5 应用效果：组织的突出特点足冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性好，表面残留应力为压应力。因此合用于装配过盈量太、服役条件差的轴承，如承受大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承，润滑条件不良的矿山运送机械或矿山装卸系统，煤矿用轴承等。高碳铬轴承钢等温淬火工艺已在铁路、轧机轴承上得到成功应用，获得了较好效果：1)扩大了GCrl5钢应用范畴：一般GCrl5钢M淬火时套圈有效壁厚在12mm如下，但淬火时由于硝盐冷却能力强，若采用搅拌、串动、加水等措施，套圈有效壁厚可扩大至28mm左右。2)硬度稳定、均匀性好：由于转变是一种缓慢过程，一般GCrl5钢需4hGCrl8Mo钢需5h，套圈在硝盐中长时间等温，表面心部组织转变几乎同步进行，因此硬度稳定、均匀性好。一般GCrl5钢淬火硬度为5961HRC，均匀性IHRC，不象M淬火时套圈壁厚稍大就会浮现硬度低、软点、均匀性差等问题。3)减少淬火、磨削裂纹：在铁路、轧机轴承生产中，由于套圈尺寸大、质量也大，油淬火时M组织脆性大为使淬火后获得高硬度常采用强冷却措，成果导致淬火微裂纹；由于M淬火后体现为拉应力，在磨加上时磨削应力的叠加使用整体应力水平提高，易形成磨削裂纹，导致批量废品。而淬火时，由于组织比M组织韧性好，同步表面形成高达(-400)(-500)MPa的压应力。极大地减小了淬火裂纹倾向；在磨加工时表面压应力抵消了部分磨削应力，使整体应力水平下降，大大减少了磨削裂纹。某轧机轴承制造厂采用淬火工艺7年多从未产生此类问题，经济效益明显。4)轴承使用寿命提高：对于承受大冲击载荷的铁路、轧机轴承，经M淬火后使用时重要失效形式为：装配时内套开裂，使用过程中受冲击外圈挡边掉块、内圈碎裂。而淬火轴承由十冲击韧性好、表面存在压应力、装配时内套开裂，使用过程中外套挡边掉块、内套碎裂倾向性却大大减小。按照铁路轴承的规定172826E铁路轴承，要进行扩张实验扩张量比过盈量大3.5倍，不管慢速加载扩张还是迅速加载扩张，淬火轴承都安全通过。通过5年多行车考核轴承没有损坏；轧机轴承经淬火后比M淬火平均寿命提高66。四、贝氏体钢轨在道岔中的应用道岔转辙器的基本轨、尖轨和辙叉是道岔核心的零部件，尖轨是一般采用的矮型特种断面钢轨（AT轨）通过加工而成，钢轨材料一般为 U71Mn 和U75V，辙叉为高锰钢整体锻造而成，在国内以及世界范畴内得到了大量的应用。但随着客货混运和货运重载线路的不断发展，对道岔的使用寿命提出了更高的规定，尖轨和辙叉在车轮强大的冲击下，接触应力达到甚至超过1400MPa，接触表面常常浮现剥落掉块的现象，使尖轨和辙叉的使用寿命受到了很大的影响，给铁路现场的养护维修及更换带来了困难。为此，国内科研单位和公司均对高强度低碳贝氏体钢应用在道岔制造上进行了研究。与一般低合金钢相比，贝氏体钢种由于碳含量低，在保证高强度的条件下，仍能保持很高的韧性，并在恶劣环境下能满足焊接性能，广泛应用于交通、航空等领域，其优良组织构造带来的高强度和高韧性，使其应用于尖轨和辙叉的制造奠定了良好的基本。1 贝氏体钢轨的特性与研究:贝氏体钢具有强度高、硬度高，且韧性和耐磨性好等特点，但为了稳定贝氏体热轧钢轨组织性能，由道岔厂对贝氏体钢轨进行后续稳定化解决，将贝氏体钢轨置于电炉中，加温到32020，加温时间为6。中国铁道科学院对60AT贝氏体钢轨母材试件性能进行了实验和全面的性能评估。按照TB/T3109 分别对热轧60AT贝氏体钢轨经后续稳定化解决的60AT贝氏体钢轨的氢氧含量、金相组织、脱碳、夹杂、室温拉伸、室温冲击、硬度、低倍及实物疲劳等性能进行了检查。检查成果表白各项指标均达到原则的规定。(1) 贝氏体钢轨的化学成分：钢轨的氢含量不应不小于0.00015%。钢水或钢轨总含氧量不应不小于0.0020%。钢水或钢轨氮含量不应不小于 0.0080%。贝氏体钢轨化学成分见表1、表2。 (2) 贝氏体钢轨力学性能：通过实验测试，轧制出的贝氏体钢轨的力学性能见表3至表5。 在温度 -20下测得断裂韧性KIC的最小值及平均值应符合有关规定。疲劳裂纹扩展速率da/dN应符合表5的规定贝氏体钢轨强度高，韧塑性好，显示出强度和韧性的极好配合，特别韧性更好，是珠光体25倍。大量的实验成果表白，贝氏体钢轨的室温抗拉强度达到了1280MPa，屈服强度达到1030MPa。室温冲击功最高达142。室温和-20的断裂韧性KIC值分别为87.7和48.0这些性能均大大超过了珠光体钢轨。同步贝氏体钢轨的耐磨耗性能也优于U75V热解决钢轨。(3) 贝氏体钢轨的组织:在轧制贝氏体钢轨的轨头、轨腰、轨底部分别取样进行金相组织观测。组织是无碳化物贝氏体、贝氏铁素体（M-A）岛，贝氏铁素体大多呈板条特性，所占比例在80%以上，运用薄膜法和萃取复型的措施观测，均未发现任何形式的碳化物（见图1）。场发射透射电镜FEM-TEM（JEMF）观测：板条之间组织形貌及衍射把戏，确认板条之间的组织是残存奥氏体，见图2。 (4) 氢氧含量：对60AT贝氏体钢轨进行氢氧含量的测定，测试成果表白，氢、氧、氮的含量分别为0.6104%、9104%和63104%，成果符合规定。(5) 脱碳及夹杂：对钢轨的脱碳层进行观测测量，观测成果为：轨角脱碳层为0.031mm，踏面处几乎没有脱碳，观测成果满足原则规定。对钢轨的非金属夹杂进行观测，观测成果为：未见A类夹杂，B、C、D类均为1级，高于原则规定（原则规定A类2.5级，B、C和D类2.0级）。(6) 室温拉伸及冲击: 对60AT贝氏体钢轨的室温拉伸及冲击值进行了测量，测量成果见表7。60AT钢轨的全断面平均抗拉强度达到了1259MPa，屈服强度达到了1067MPa，断面收缩率达到55.5%，冲击值达到50。这些数据均表白60AT贝氏体钢轨具有优秀的强韧性能。(7) 硬度：对60AT贝氏体钢轨的全断面和踏面硬度进行测量，测量成果表白：全断面的硬度为，轨头硬度为363HBW 407HBW，平均值为385HBW，轨腰硬度为327HBW 370HBW，轨底硬度为345HBW396HBW，轨头、轨腰、轨底的硬度分布较均匀。2 贝氏体钢轨的跟端加工工艺研究（1） 跟端锻造:使用60AT轨锻导致75kg/m钢轨跟端断面，其断面的面积差很小，对模具和锻造工艺提出了更高规定，稍不注意将会浮现缺肉现象，因此将研究重点放在75kg/m钢轨道岔用AT尖轨跟端锻造上。经认真分析研究，选用初锻移轴、终锻成型的工艺方案，设计了初锻和终锻两套模具。锻造时采用机械换模方式。加热采用中频透热。加热温度控制在 范畴内。初锻时，既完毕了移轴，又使工件基本成型。初锻后进行二次加热，当达到预设温度后，用终锻模使工件成型。经检测断面尺寸达到了原则中的规定。AT轨轨端锻导致原则轨断面，见图 。（） 跟端锻造后的热解决:贝氏体钢是一种特殊钢材，对于如何保证锻造后的机械性能，热解决工艺是其尖轨加工的核心技术。过渡段按最后拟定的热解决工艺参数进行热解决后最小硬度280HBW，各项性能指标均符合欧标（国内暂无原则）规定。见图5、6与表8。 （3） 机械加工：尖轨尖部的机械加工在数控龙门铣床上进行。分别将直线尖轨和曲线尖轨的轨头加工部分按图纸规定输入计算机系统。将AT轨按轨底的长肢在定位工装上定位后，将AT轨夹紧，选择轨尖端为加工起点，加工工作边和非工作边以及轨头顶面减少部分。加工后，在龙门刨床上，用长肢侧的轨腰定位按图纸的尺寸，将短肢轨底刨切。五、贝氏体钢的研究开发现状与发展前景1 贝氏体钢的分类与特点：国内外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及其应用。（1） Mo-B系或Mo系贝氏体钢20世纪50年代，英国人P B Pickering等发明了MmB系空冷贝氏体钢。Mo和B的结合可以使钢在相称宽的持续冷却速度范畴内获得贝氏体组织。Mo-B系或Mo系贝氏体钢的浮现受到世人的注重，但由于Mo原料价格昂贵，同步M0-B钢起始转变温度较高，产品强韧性差，为减少此温度，还必须将MoB钢复合金化，从而提高了成本，因此其发展受到一定限制。（2） Mn-B系贝氏体钢清华大学方鸿生等在研究中发现Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下C曲线分离；Mn与B结合，使高温转变孕育期明显长于中温转变，以此成功地用一般元素进行合金化，发明出M-B系空冷贝氏体钢。由于适量的Mn可导致其在中温下在相界处富集，对相界迁移起拖曳作用，与B共同作用容易获得贝氏体；同步Mn明显减少贝氏体相变驱动力，使贝氏体相变温度减少，细化贝氏体尺寸，改善韧性和强度。它突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、w的老式设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn-B系列贝氏体钢。（3）新型准贝氏体钢：康沫狂等通过近年的研究，提出了由贝氏铁素体(即低碳马氏体)和残存奥氏体构成的准(非典型或无碳化物)贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。在钢中加人某些台金元素，町以推迟TTT曲线中铁素体和珠光体的开始析出线，而对贝氏体的开始析出线影响不大，从而可以在很大的冷速范畴内获得贝氏体组织。新型准贝氏体钢即是通过合理的合金化，保证在很大的冷速范畴内可获得准上贝氏体、准下贝氏体或者是它们的混合组织，形成了一般强度、高强度和超高强度系列准贝氏体钢。与一般构造钢相比，新型准贝氏体钢具有更好的强韧性配合，其力学性能超过了目前的典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。2 贝氏体钢在工业生产中的应用由于贝氏体钢具有良好的综合力学性能，并且其成本相对较低，因此贝氏体钢在实际生产中得到了广泛的应用。（1） 贝氏体非调质钢：提高非调质钢韧性的途径，一是在老式的铁素体一珠光体基体上，变化其化学成分和组织状态；此外是变化其基体组织。其中，开发以贝氏体为基体组织，具有良好强韧性的低碳含V、B以及较高Mn的微合金化非调质钢即是一种重要途径。由于低碳贝氏体非凋质钢既具有高的强度，又具有良好的韧性，特别是在低温状态下仍具有较高的韧性，因而可用于制作汽车前梁等。日本东京钢公司研制了低碳含V贝氏体非调质钢，该钢锻后空冷得到以贝氏体为主及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到800 1 000MPa，室温冲击韧度为50群，而一40仍高达40；日本新日铁公司在贝氏体非调质钢的研究开发中多添加微合金化元素，此类钢在很宽的冷却速度范畴内都可获得贝氏体组织，锻后冷却速度越快，强度越高，而塑韧性基本稳定；冷却速度越慢，可获得更好的低温性能，适合于规定强度高、韧性好的汽车行走系部件；攀枝花钢铁公司与清华大学、二汽合伙开发的贝氏体微合金非调质钢12Mn2VB替代45调质钢制造汽车前轴，效果良好。（2） 超高强度贝氏体钢：大量的工程应用实践表白，贝氏体及贝氏体复相组织具有优良的综合力学性能，在开发超高强度贝氏体钢方面的研究重要是在获得贝氏体及贝氏体复相组织的基本上通过晶粒细化以及弥散强化等措施获得高强度。Si-Mn-Mo系贝氏体钢在890奥氏体化空冷后进行不同温度的回火解决，得到了1 800MPa的超高强度钢；康沫狂等在准贝氏体钢的研究中采用低温回火热解决，可以获得1 600MPa以上的超高强度，可用于制作V级钢筋、弹簧等超高强度构件。F G caballelIo等在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe-0.2C-2Si-3Mn和Fe-0.4C-2Si -4Ni两种成分。研究发现，Fe-0.2C-2Si-3Mn贝氏体钢体现出良好的断裂韧度(=160)，强度可以达到1 375l 440MPa，而增长碳含量，即Fe-0.4C-2Si -4Ni成分的贝氏体钢强度可达15001 840MPa其断裂韧度稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢。这两种钢均需回火解决。（3） 贝氏体钢在塑料模具行业的应用精密塑料模具对尺寸精度和表面粗糙度规定较高。上海交通大学和华中科技大学开发了不经热解决，锻轧后即可达到3038HRC的非调质易切削塑料模具钢。该钢在锻轧后进行空冷获得贝氏体铁素体的复相组织，具有良好的强韧性，其性能为l 000MPa，36；宝钢研制的微台金化塑模钢在性能上可以与进口塑模钢P20相媲美，而其价格仅为进口同类产品的50；清华大学研制了新型中碳硅锰硼系易切削塑料模具钢，它用硅、锰和硼进行合金化，工艺简朴，空冷即可获得具有良好强韧性的贝氏体马氏体复相组织。目前已实现工业化生产。（4） 耐磨钢：清华大学在MnB系列贝氏体耐磨钢的开发与应用方面做了大量的工作。用一般元素锰和微量硼进行合金化通过控制空冷条件自硬获得的贝氏体钢球，具有整体硬度高同步具有高韧性和低破碎率等优良性能。截齿用钢不仅免除淬火解决，并且截齿柄杆强韧性高，刀头硬度50HRC，不易磨损；中低碳(0.3C)SiMnCr钢离心铸管，其组织以贝氏体为主，并复合有回火马氏体及少量残存奥氏体，具有致密限度高、组织细化等长处，在硬度高达45HRC时，还具有较优良的韧性，40。该离心铸管现场使用效果良好，其使用寿命较原用材料16Mn提高两倍。（5） 贝氏体钢板材：管线钢的需求增进了高强韧性、耐低温且易焊接的超低碳贝氏体(ULCB)钢的发展。McEviIy于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB钢，经热机械控制(TMCP)解决后，屈服强度达到700MPa，且具有良好的低温韧性和焊接性能。低碳微合金化控轧贝氏体钢的研制成功后，受到工程界的注意，逐渐得以推广应用。在此基本上发展了超低碳的控轧贝氏体钢。日本钢铁公司研制了X70和X80超低碳控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500MPa，脆性转变温度(FATT)-80，它既可以作为低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢。DeArdo等开发出ULCB-100型超低碳贝氏体中厚钢板。通过控轧控冷解决和高度台金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化的综合伙用。该钢以80累积变形量进行精轧并随后空冷，其屈服强度可高达700MPa，且FATT可提高到-50。但该类钢Ni、Mo含量较高，含碳量低于0.03，因此需要进行炉外精炼工艺解决，同步还对TMCP工艺设备提出了较高规定。目前，国内许多钢板生产厂尚不具有这些高强韧性钢生产所需的炉外精炼、控轧控冷及淬回火条件。清华大学运用便宜的一般元素对低碳贝氏体钢进行合适的组织与合金设计，在一般条件下生产出仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相钢。它以Mn、Cr作为重要合金元素，加入适量的Si以克制碳化物的形成，增长残存奥氏体的稳定性，提高钢的回火抗力。在持续空冷过程中先形成一定量晶粒尺寸较小的仿晶界型铁素体作为韧化相，富碳过冷奥氏体转变成粒状贝氏体，进而得到高韧性的仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相组织。经生产实验表白，该钢的强韧性能优良，抗拉强度为850MPa，屈服强度为540MPh，冲击韧度(-40) =34，与同类钢相比，生产工艺简朴，成本低廉。3 贝氏体钢的发展前景展望国内贝氏体钢的研究开发中，添加元素为一般合金元素，不存在冶炼、浇注、轧制等方面的困难，公司在不增长设备的状况下即可组织生产，只要具有空冷条件即可。因此贝氏体钢以其性能价格比方面具有的明显优势，在国内的应用前景将十分广阔。六、有关贝氏体系列钢的研究建议贝氏体系列钢的研究目前仍处在叹氏体相变机理研究与贝氏体钢的开发与推广应用阶段。在开发贝氏体钢方面，应加强如下两方面的研究工作：1 贝氏体钢产品品种的开发除对既有贝氏体钢的生产工艺进行完善与优化外，还应不断开发新的贝氏体钢品种，扩大贝氏体钢产品的应用范畴。贝氏体钢在模具用钢、耐磨耐冲击钢、工程构件用钢等领域的开发研究将进一步进一步。同步研究开发贝氏体钢在弹簧、建筑用高强度钢筋、齿轮、原则件等的使用。2 加强控轧贝氏体钢的研制 从低合金高强度钢的发展趋势来看，开发研制控轧贝氏体钢是十分必要的，因素在于：具有铁素体珠光体组织的低碳低合金高强度钢，由于采用控制轧制制和微合金化，在保证高韧性和优秀性的焊接条件下，已将厚板的屈服强度提高到500550MPa的水平。欲提高强度级别。则需要通过发展贝氏体组织的低合金高强度钢来解决。控轧贝氏体钢勿需热解决工序，节能又节省合金资源，因此生产成本低，具有广泛的应用前景。贝氏体钢的中厚板可以通过控轧控冷充足细化组织，大幅度提高强度和韧性。如果在控轧条件下再采用Nb、Ti、V等元素合金化，既可以进一步细化贝氏体组织，又能充足发挥Nb、Ti、V等元素的沉淀硬化作用，明显提高钢的综合性能。因此对国内钢铁公司的发展是很有利的。七、调研报告心得体会为了完毕这次的“贝氏体研究分析报告”，前前后后大概耗费两周的时间，前期用了大概3天的时间找到有关的论文资料，接下来的一种星期用了研读这些资料，最后用大概34天时间撰写研究分析报告。通过这次的报告的撰写，我读到了诸多有关工程材料有关的资料，也学到了诸多东西，更加充实了我的知识宽度，让我懂得了更多的有关贝氏体的知识。通过这次的报告的撰写，我结识到贝氏体的长处、局限性、某些改善的方向以及国内外的主流研究方向和成果。贝氏体钢是一种性价比，就目前来说性价比不是很高，由于技术的不成熟，科研投入需要很大，并且成果不是很明显，但是它的将来很美好，通过贝氏体成分的分析、应用领域的分析，我们可以肯定，贝氏体钢的科研投入是很值得的。最后，非常感谢教师给了我们这次学习的机会，让我们故意识地接触到这些课堂上没有的东西，为我们的发展提供了一种较好的方向。参照文献: 1徐祖耀.贝氏体相变简介J.热解决,21(2):1-20.DOI:10.3969/j.issn.1008-1690.02.001. 2闫浩,李艳,郭琼等.正火贝氏体铸钢的研究和应用J.热加工工艺,37(7):10-12.DOI:10.3969/j.issn.1001-3814.07.004. 3段江涛.低合金贝氏体铸钢的性能与应用J.硫磷设计与粉体工程,(3):21-25.DOI:10.3969/j.issn.1009-1904.03.008. 4潘留俊,胡恒法,裴新华等.空冷贝氏体系列钢种的开发及应用J.轧钢,25(6):50-52.DOI:10.3969/j.issn.1003-9996.06.015. 5薛小怀,钱百年,国旭明等.超低碳贝氏体（ULCB）焊接材料的研究进展J.焊接学报,22(4):93-96.DOI:10.3321/j.issn:0253-360X.04.024. 6崔景阁.贝氏体钢轨在道岔中的应用与加工研究J.铁道建筑技术,(12):62-65.DOI:10.3969/j.issn.1009-4539.12.018. 7张俊辉.贝氏体尖轨应用前景分析J.郑州铁路职业技术学院学报,(2):5-6,9.DOI:10.3969/j.issn.1008-6811.02.001. 8徐杨,SHI Huan-ru,简建明等.抗磨贝氏体球墨铸铁的研究与应用J.材料热解决学报,29(4):131-134. 9孙德勤,吴春京,谢建新等.贝氏体钢的研究开发现状与发展前景探讨J.机械工程材料,27(6):4-7.DOI:10.3969/j.issn.1000-3738.06.002. 10胡恒法,裴新华,穆海玲等.经济型低碳贝氏体复相钢的开发及应用J.轧钢,22(5):5-8.DOI:10.3969/j.issn.1003-9996.05.002. 11张增歧,刘耀中,樊志强等.贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用J.材料热解决学报,23(1):57-60.DOI:10.3969/j.issn.1009-6264.01.016. 12程巨强,刘志学.锻造无碳化物贝氏体耐磨钢的研究与应用J.锻造,60(4):382-385. 13国内贝氏体耐磨铸钢的发展及应用J.热加工工艺,38(21):60-63. 14于庆波,孙莹,倪宏昕等.不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响J.机械工程学报,45(12):284-288.DOI:10.3901/JME.12.284. 15刘宗昌,王海燕,任慧平等.贝氏体相变特点的研究J.材料热解决学报,28(z1):168-171.DOI:10.3969/j.issn.1009-6264.z1.043.