50车轴钢中异常组织的形成原因
1、引言
车轴是关系到铁路运行安全性的重要部件之一。目前我国铁路车轴的材质主要为40钢和45钢，50钢是近年来在铁路提速形势下采用的新钢种。在车轴生产过程中，一些厂家发现按现行铁道部标准的二次正火加一次回火工艺处理后，部分50钢车轴中存在着一种异常的大块黑色团状组织(以下简称为异常组织)。对这种异常组织的组织结构及形成原因目前并没有明确的认识。因此在生产上出现这种组织后，车轴生产厂家难于判断该车轴是否为合格的产品，给生产上带来了困难。这种情况引起了有关部门的重视并进行过一些研究，但关于这种异常组织具体的形貌及形成机理尚无深入研究的报导。作者对异常组织的形貌结构进行了分析，并对形成机理及原因进行了探讨。
2、试验材料及试验方式
试验采用两种50车轴钢，它们的化学成分相似，但是一种存在异常组织，而另一种为正常组织，其化学成分见表1。
表1 两种50钢的化学成分（质量分数，％）
| 钢种 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Cu |
| 正常车轴 | 0.51 | 0.7 | 0.21 | 0.022 | 0.025 | 0.28 | 0.17 | 0.15 |
| 异常车轴 | 0.50 | 0.9 | 0.19 | 0.021 | 0.024 | 0.26 | 0.15 | 0.14 |
采用光学显微镜观察锻造后与回火后异常组织的形貌，利用H700－H型透射电镜（TEM）分析异常组织的微观结构与形貌，用电子探针（EPMA）分析异常组织微区的成分分布。
3、试验结果与分析
3.1金相分析结果
对含有异常组织的车轴锻造后进行两次880℃正火与550℃回火，保温时间按2min/mm计算。可见，经过热处理后50车轴钢除了有先析铁素体和珠光体组织外，还有一种晶粒特别粗大的异常组织存在，从外观形貌上看与珠光体相似，而且在异常组织的旁边还有一定量的带状组织存在，这说明在车轴钢中可能存在着轻微的成分偏析。同时异常组织的内部也存在着较黑和较亮两部分，说明异常组织在内部形态上也存在着差别。可见，锻造后的样品中有异常粗大的晶粒存在，这很可能与异常组织的产生有直接的关系。
3.2TEM结果与分析
可知，异常组织的形态与珠光体的组织形态相同，因此可确定异常组织是粗大团状珠光体组织。且从中还可看到在异常组织内部不同区域渗碳体片的宽度与片间距存在着明显的差别，这是导致异常组织内部微观形态差别的主要原因。
3.3电子探针结果与分析
为异常组织的背散射电子像（BEI图像），可见在异常组织的区域锰含量与周围的区域差别不大，因此可以证明异常组织的形成并不是由于锰元素的偏聚引起的。
4、分析与讨论
根据前面结果可以认为异常组织实际就是内部含有铁素体条且片间距不同的珠光体组织，它的出现与粗大的奥氏体晶粒的存在有直接的关系，并不是由于锰元素的偏聚引起的。
在奥氏体晶粒细小的情况下，单位体积晶界面的面积大，促进珠光体在晶界处形核。一旦冷却到共析转变温度，晶界处就会大量地形核，晶界形成的珠光体晶核向晶粒内部生长。因为奥氏体晶粒细小，所以这些晶界形成的各个珠光体就要互相接触，使这些珠光体团不可能篚，因此就形成细小的珠光体团组织。
在粗大的奥氏体晶粒存在时，情况就有所不同。加热时得到的粗大奥氏体晶粒在冷却过程中首先在晶界形成网状的铁素体，随冷却过程的继续进行，到了共析转变的温度范围，晶界处也会形成珠光体晶核，但因晶界已被部分占用，故形核数量减少，因此相对于细小的奥氏体组织这些珠光体团就易长大，同时晶界形成的珠光体晶核也会向内部生长，但是因为奥氏体晶粒尽寸很大，所以在晶界形成的珠光体要想达到互相接触的程度，必须长到很大尺寸，需要较长的时间。随珠光体长大时碳的扩散，会在奥氏体内部形成碳浓度分布的不均匀。因为正火时珠光体的转变是在不断的降温过程中形成的，因此当晶界形成的珠光体团还没有长大到互相接触时，在温度降低及成分的影响下，在晶体内部会形成珠光体（这可以从显微组织分析得到证明）。这就造成了先形成的珠光体片间距较大，后形成的珠光体片间距较小。同时晶体内部的低碳区会形成铁素体（TEM分析说明了这一点）。这样就形成了内部含有铁素体条且珠光体片间距不同的异常组织。
5、结论
（1）50车轴钢中出现的异常组织是由片间距不同的团状珠光体组成。
（2）锻造后混晶现象严重及特别粗大奥氏体晶粒的存在是异常组织产生的主要原因，合金元素锰对异常组织的形成没有直接的影响。
参考文献：
〔1〕李学锋，王玉玲，铁道车辆用LZW车辆钢晶粒度研究〔J〕，钢铁，2001，（8）：36-38.
〔2〕刘世程，李国柱，戴雅康等，车轴粗晶组织细化工艺的研究〔J〕，金融热处理，1992，（3）：17-20.
〔3〕刘云旭，低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除〔J〕，金属热处理，2000，（12）：1-3.
〔4〕陈立人，34Mn接箍钢的正火组织及性能研究〔J〕.金属热处理，1998，（4）：6-8.
〔5〕由宏新，金巨年.两次正火提高40Mn2钢低温韧性〔J〕.金属热处理，1997，（11）：11-14.
〔6〕刘庆才，于庆军，白万和等.铁道车辆车轴裂纹产生原因分析及技术对策〔J〕.金融成形工艺，2000，18（2）：47-49
〔7〕Elliott R.The role of research in promoting austempered ductile iron.Heatment of Metals,1997,24(3):55-59.
