材料研究方法結(jié)課論文_圖文

1、現(xiàn)代分析方法在課題研究中的應(yīng)用1 研究方向酸性或堿性條件下鐵路轍叉鋼的腐蝕磨損性能的研究2 研究背景轍叉是使車(chē)輪由一股鋼軌通過(guò)另一股鋼軌的軌線平面交叉設(shè)備,主要由翼軌、心軌及聯(lián)接零件組成。目前鐵路轍叉用鋼鐵有兩種:高錳鋼和貝氏體鋼。高錳鋼作為鐵路轍叉材料,其標(biāo)準(zhǔn)成分C1.0%1.4%、Mn10%14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1。燕山大學(xué)利用再合金化的原理開(kāi)發(fā)了一種加工硬化能力高、自減摩性能好的鐵路轍叉專(zhuān)用高錳鋼,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C1.0%1.2%,Mn11%13%,N 0.04%0.08%,Cr 1.5%2.5%,Cu0.8%1.0%,Re 0.1%0.3%。熱處理工藝為:加熱到1 0001 100

2、保溫后水淬,獲得單相奧氏體組織。常規(guī)力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度>800 MPa,沖擊性能>150 J/cm2,這種成分高錳鋼轍叉的使用壽命比普通成分高錳鋼轍叉使用壽命提高30%以上2。隨著鐵路向高速重載及長(zhǎng)壽命方向發(fā)展,對(duì)改變火車(chē)運(yùn)行方向的關(guān)鍵部位-轍叉提出了更高的要求,由于傳統(tǒng)的整體固定型高錳鋼轍叉已經(jīng)不能很好滿足現(xiàn)有的長(zhǎng)壽命及高速重載的需求,所以急需一種性能更好的新型轍叉材料,這樣貝氏體鋼轍叉應(yīng)運(yùn)而生。貝氏體鋼化學(xué)組成是低碳和低合金元素,含碳量一般<0.05%,主要合金元素有Mn,Cr,Ni,Mo,B等。貝氏體組織通常通過(guò)空冷或控制冷卻速度得到。這類(lèi)鋼具有高強(qiáng)度(5301500

3、MPa、高韌性、抗拉強(qiáng)度隨貝氏體轉(zhuǎn)變溫度的降低而提高。工藝性能(可焊性和成型性較好。與高錳鋼相比,貝氏體鋼伸長(zhǎng)率雖然比高錳鋼低,而斷面收縮率比高錳鋼鑄造轍叉高,抗拉強(qiáng)度也比高錳鋼大很多。本文主要對(duì)貝氏體體鋼的腐蝕磨損方面的研究進(jìn)行總結(jié)。3 研究常用的表征方法3.1 SEM的應(yīng)用4用SEM分析兩個(gè)服役過(guò)的貝氏體鋼轍叉的橫截面:表明兩個(gè)轍叉的表面是相對(duì)光滑的,且沒(méi)有明顯嚴(yán)重的劃痕和褶皺。這也證明貝氏體鋼轍叉具有良好的耐磨性。試樣B表面有許多平行的裂痕,這是典型的脆性開(kāi)裂,來(lái)源于磨損表面,并朝向深層擴(kuò)展,見(jiàn)下圖,可以確認(rèn)試樣B的磨損表面上的裂痕會(huì)在服役過(guò)程中不斷擴(kuò)展,最后導(dǎo)致轍叉斷裂失效。 3.2

4、XRD的應(yīng)用5 上圖是研究超低碳貝氏體鋼ULCB和09CuPCrNi鋼材經(jīng)過(guò)加速腐蝕后的銹層的X射線衍射圖譜。a:鋼材表層,b和c:鋼材內(nèi)銹層,M:磁鐵礦,:-FeOOH,:-FeOOH,:-FeOOH。1-6:1至6個(gè)加速腐蝕周期。用XRD分析,可看出,貝氏體鋼ULCB和09CuPCrNi兩種鋼的銹層上是相似的。外銹層由Fe3O4,-FeOOH,-FeOOH和-FeOOH組成。而兩種鋼的內(nèi)繡層主要是Fe3O4,沒(méi)有-FeOOH。但在ULCB鋼的1至6加速腐蝕中出現(xiàn)無(wú)定形腐蝕產(chǎn)物,非晶峰約16度左右出現(xiàn),如圖所示。根據(jù)XRD的結(jié)果,可以說(shuō)無(wú)定形銹只存在于ULCB鋼的內(nèi)銹層中。3.3 電化學(xué)阻抗

5、譜法的應(yīng)用6 圖5為超低碳鐵素體鋼(No.A和09CuPCrNi鋼(No.B新型低碳貝氏體鋼(No.C三種鋼材比較腐蝕后的電化學(xué)阻抗譜。圖6為相應(yīng)的等效電路,用來(lái)模擬帶銹試樣在NaCl溶液里的腐蝕情況。由于構(gòu)成銹層的主要腐蝕產(chǎn)物(Fe00H,-FeOOH,-FeOOH和無(wú)定形銹的本征電阻非常高,銹層的導(dǎo)電性在很大程度上取決于銹層內(nèi)的缺陷,如裂紋、孔隙、空洞等,這些缺陷易被NaCl溶液滲透而導(dǎo)致銹層電阻下降.所以,銹層電阻Rr綜合反映了腐蝕產(chǎn)物的本征電阻(取決于各種腐蝕產(chǎn)物的所占比例和銹層的致密程度,因而較全面地表征了銹層阻礙氯離子透過(guò)的能力,是評(píng)估銹層保護(hù)能力的關(guān)鍵參數(shù)。3.4 極化曲線的應(yīng)用

6、6 3種鋼帶銹層試樣的極化曲線如上圖所示。從圖可見(jiàn),隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),試樣自腐蝕電位升高且陽(yáng)極電流減小,這說(shuō)明銹層對(duì)陽(yáng)極反應(yīng)起阻礙作用.超低碳鐵素體鋼(No.A的陽(yáng)極電流減小幅度最小,新型低碳貝氏體鋼(No.C的陽(yáng)極電流減小幅度最大,且在腐蝕后期(2135 d它們之間的差距更為明顯。這說(shuō)明新型低碳貝氏體鋼的銹層具有更好的保護(hù)性,對(duì)陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生更強(qiáng)的阻礙作用3.5 EDS 的應(yīng)用7 上圖為加速腐蝕后的超低碳貝氏體鋼帶銹試樣的EDS 圖像。(a:銹層掃描照片2000× (b 、(c 、(d 、(e 、(f 分別對(duì)應(yīng)C 、O 、Cl 、Fe 、Cu 元素分布。 從試樣銹層截面的EDS 面掃

7、描圖譜中發(fā)現(xiàn),C 、O 、Cl 、Cu 存在于銹層中,并發(fā)現(xiàn)有少量亮點(diǎn),高放大倍數(shù)下采集的單個(gè)顆粒的EDS 譜發(fā)現(xiàn)Cu 含量47.1%(wt ,即存在Cu 的局部材料研究方法結(jié)課論文 富集現(xiàn)象。由于元素在銹層中的富集需要元素在鋼基體中遷移、溶解、氧化，是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò) 程，在實(shí)驗(yàn)室加速條件下，加之暴露時(shí)間短，可能沒(méi)有能夠完成內(nèi)銹層有規(guī)律的富集。Cu 有在內(nèi)銹層富集的趨勢(shì)，說(shuō)明銹層的生長(zhǎng)初期，Cu元素的作用不大，而隨著腐蝕時(shí)間的延 長(zhǎng)，Cu元素的作用逐漸增強(qiáng)。 3.6 TEM的應(yīng)用8 上圖是對(duì)含W和Mo貝氏體鋼的氫脆失效的研究，由圖 3-14a,b 的透射照片觀察發(fā)現(xiàn)， 含 W 鋼的貝氏體板條是由許

8、多的細(xì)小的亞片條組成的， 亞片條又是由更為細(xì)小的亞單元組 成的，亞片條與貝氏體片條平行，而亞單元?jiǎng)t與亞單元之間構(gòu)成一定的角度，亞單元以及亞 片條之間由殘余奧氏體薄膜隔開(kāi)，殘余奧氏體薄膜的寬度約為 30 nm，而含 Mo 鋼的殘余 奧氏體薄膜約為 20 nm，含 W 鋼的殘余奧氏體薄膜寬度比含 Mo 鋼的要寬。 3.7 AFM的應(yīng)用9 上圖為試樣經(jīng)低溫、 較長(zhǎng)時(shí)間回火后超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡像， 圖中清楚地顯示了 貝氏體鐵素體 （BF） 是由大量尺寸為530 nmx380 nmx60 nm的薄片沿其側(cè)邊緊密堆砌而成， 5 材料研究方法結(jié)課論文 且被AR膜隔離具有規(guī)則外形的每一薄片又由若干平均線

9、度約為30 nm的、非常細(xì)小的等 軸超細(xì)晶粒構(gòu)成。 上圖為試樣低溫、短時(shí)回火，并快速冷至室溫的精細(xì)結(jié)構(gòu)原子力顯微鏡像。每一貝氏體 鐵素體（BF）板條是由線度為460 nm×260 nm x140 nm的棱柱沿其正面排列而成(見(jiàn)圖中 點(diǎn)畫(huà)線。組成棱柱的不規(guī)則超細(xì)晶粒(箭頭所示尺寸小于20 am并且分布非常致密。 上兩圖分別給出了薄片狀和棱柱體兩種具有規(guī)則外形的切變單元。 比較它們的形成過(guò)程 可知，熱處理工藝對(duì)切變單元的外部形狀、排列方式以及超細(xì)晶粒的尺寸有強(qiáng)烈影響。規(guī)則 單元排列愈緊密、超細(xì)晶粒尺寸愈細(xì)小，沖擊吸收能（AKV）值愈高。以前很多文獻(xiàn)提到的 具有近似規(guī)則外形單元的最小尺寸在微米或亞微米量級(jí)， 但本文發(fā)現(xiàn)規(guī)則外形單元