1、Mn系贝氏体钢的最新进展 Development of New Type Mn-Series Bainitic Steels in China,高古辉 安佰锋 谭谆礼 桂晓露 白秉哲 翁宇庆北京交通大学第十一次全国热处理大会2015.7.18,团队介绍,轨道交通高性能金属材料 主要包括新型贝氏体钢的成分及组织设计，相变机理，强韧化机制，“成分-工艺-组织-性能”关系的数学及物理模拟；贝氏体钢轨、车轮、车轴等轨道交通用高性能金属材料及新工艺的开发和推广应用。 贝氏体钢 组织及性能调控 研究贝氏体钢新型热处理工艺的精细化，结合Thermal-Calc、有限元模拟、人工神经网络的建模，实现复相组织调
2、控的精细控制，完成超大尺寸及复杂零部件的成分-组织-性能均匀化处理。 基础零部件的服役与失效分析 研究汽车、交通、能源、机械等领域基础零部件（如弹簧、螺栓、轴、紧固件等）的服役性能，特别是疲劳性能、延迟断裂、腐蚀、磨损等性能，对典型零部件的失效机理进行分析。,贝氏体钢的由来,20世纪20年代，Robertson首先发现钢的中温转变产物，随后Bain等人对这种组织进行了大量细致的研究，直到1934年“贝氏体”术语的提出。贝氏体转变的温度范围界于珠光体与马氏体之间，相应地贝氏体组织兼备了高温转变产物的塑韧性和低温转变的强度，具有良好的强韧性配合，从而引起人们的极大关注。20世纪50年代末期，英国的
3、Irvine和 Pickering等人率先发明了Mo-B系贝氏体钢。20世纪70年代，清华大学方鸿生等人发明了Mn系贝氏体钢。这是目前世界上两大系列贝氏体钢。,Mn系贝氏体钢的发展历程,1970s-2000s：空冷贝氏体钢，采用Mn-B为主要合金元素，提高贝氏体淬透性，热处理工艺简单。2000s：水淬贝氏体钢，采用Mn-Si-Cr的合金体系，减少合金添加，节约成本，提高焊接性能，并适用于大尺寸构件。2010s：贝氏体钢的新发展，结合BQ&P和TMCP等新型热处理工艺，实现贝氏体钢综合性能的改善。,Mn系空冷贝氏体钢,R R R/,常见的TTT曲线,Mn元素富集因子与相应的TTT曲线,Mn系空冷
4、贝氏体钢的发展,经过40余年的发展，Mn系空冷贝氏体钢发展了以下系列：低碳粒状贝氏体钢低碳仿晶界铁素体/粒状贝氏体复相钢无碳化物贝氏体/马氏体复相钢中碳及中高碳贝氏体/马氏体复相钢贝氏体耐磨铸钢,Mn系空冷贝氏体钢的优势,高的贝氏体淬透性，有利于在大尺寸构件中获得足够含量的贝氏体组织；合金设计简单，主要以Mn、Si、Cr为主要合金元素，合金成本低；发展了从超低碳到中高碳的Mn系空冷贝氏体钢系列，扩大了贝氏体钢在机械工程材料的应用领域。,第二代Mn系贝氏体钢,为了进一步降低合金成本，同时响应我国的大型设备构件国产化的需求，21世纪初，白秉哲、方鸿生等人在Mn系空冷贝氏体钢的基础上，通过合理的合金
5、设计，研制成功了第二代Mn系贝氏体钢淬火贝氏体钢。通过合理的合金设计，利用Mn对贝氏体形成的有利作用，可以在很大的冷速范围内获得贝氏体组织。,水淬贝氏体钢的优势,减少合金添加，节约成本，提高焊接性能；适用于大尺寸构件，在达到相同强度水平下，圆柱体水淬硬化尺寸约为空冷的6-7倍以上；主要研究低碳区（0.04-0.25wt.%），可获得强度级别在800-2000MPa级别的低合金高强度钢。,图示水淬FZB6及水淬27SiMn在300mm圆柱截面上的硬度分布,Mn系贝氏体钢的新发展,随着我国冶金设备的发展，以TMCP为代表的控冷工艺逐渐可以得到实现；同时采用纳米贝氏体、Q&P等新型热处理工艺，促进M
6、n系贝氏体钢的进一步发展。,通过BQ&P处理，获得了具有贝氏体/马氏体/残余奥氏体的复相组织，残余奥氏体呈现亚微米级和纳米级，具有很高的机械稳定性和热稳定性，有利于改善塑性和韧性。,0.4C-MnSiCr,Acta Materialia 76 (2014) 425433,0.2C-MnSiCrMoV,良好的强韧性匹配：抗拉强度：1400MPa冲击韧性：Akv：100J,对新型高强韧1500MPa级别贝氏体/马氏体复相钢具有良好的超高周疲劳性能，疲劳寿命周次达到10E9，疲劳寿命在750MPa以上。,随着我国高速列车的快速发展，对钢轨、车轮、车轴等列车部件的疲劳寿命要求通常要达到10E8周次以上
7、，有的甚至到10E11周次。,新型高强韧贝氏体钢的优势,例如将BQ&P工艺引入Mn系贝氏体钢，其优势在于（1）克服了传统Q&P工艺快速淬火及短时间配分等缺点，采用空冷+长时间配分。（2）保证高强度的同时，可以获得良好的塑性和韧性。,Mn系贝氏体钢的应用,Mn系贝氏体钢在铁路上的应用,传统珠光体轮轨材料不足 强度、耐磨性已近珠光体钢极限 高强度高耐磨难以兼顾高塑韧性 难以满足高速重载长远发展需求,贝氏体组织潜在优点 强度和耐磨性提高潜力大（达2000MPa） 冲击韧性ak和断裂韧性KIC明显提高 焊接性、冷加工性优良 (C%:珠光体钢0.5-0.6 贝氏体钢 0.1-0.3) 低温性能（-40/
8、-60）提高明显,Mn系贝氏体钢在铁路上的应用,Mn系贝氏体钢在矿山机械上的应用,*系列混凝土泵车贝钢管件：工作压力13MPa; 极限压力：25MPa,管件壁厚：6-20mm,使用寿命：比高锰钢长2倍以上，至今供货余吨，万件以上.,*系列强负载混凝土搅拌叶片HRC51; Ak60J，已供货千余吨，万件以上,Mn系贝氏体钢在矿山机械上的应用,开发高强韧贝氏体重型钎杆，代替18CrNi4Mo。实物的抗拉强度1400MPa级别，V型冲击达到80J以上。,贝氏体塑料模具钢,塑料模具钢在太原钢铁公司工业生产，20250mm厚模具钢板轧后空冷自硬，硬度达到30HRC，板各部分硬度差在3HRC之内，强韧性优
9、异，成本低廉，不包括节约热处理费用，仅在合金成分上与P20比较降低约800元/吨，比718钢降约2800元/吨。,贝氏体超高强建筑钢筋,与冶金建筑研究院国家建筑钢材监督检测中心及天津天铁集团轧二制钢有限公司合作，研制屈服强度为930MPa的高强精轧螺纹钢筋，已经应用于郑州黄河大桥、广东九江大桥、广西悟州浔江大桥、四川紫坪铺水电站、广东广深沿江高速公路、贵州镇胜高速等重要建设工程。目前与河北钢铁承德钢厂合作研制的V微合金化830MPa精轧螺纹钢筋也已经获得应用。,小结,经过40余年的发展，本团队对贝氏体钢的相变基础、合金设计、组织设计和强韧化机制方面进行了系统的研究，为先进钢铁材料的设计和强韧化机制提供了大量的研究数据。同时发展了多个系列的贝氏体钢产品，应用到汽车、能源、铁路、建筑、矿山、机械等多个领域。本团队自2011年在北京交通大学建立轨道交通贝氏体钢研究中心，旨在推动贝氏体钢在铁路上的应用，研制的贝氏体辙叉、曲线轨等已经得到广泛应用；目前正在研制贝氏体车轮、车轴等产品。,谢谢关注！,轨道交通金属材料研究所Institute of Metallic Material in Railway Transportation (IMMRT),
