简析元素在钢轨材料中的作用及伤损影响

【摘要】在我国，高速、重载铁路运输因接触疲劳导致车轮、钢轨的服役寿命严重降低。随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高，轮轨滚动接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重，它不仅大大增加铁路的运营成本，而且直接危害行车安全。

【关键词】元素；钢轨伤损；合金

一、引言

不同元素在钢轨中有不同的作用：C，Si，Mn是基木元素，它们是钢轨材料的主要构成0，H等是有害元素，应该尽量减少；如V，Ti，RE等是合金元素，它们是为了提高钢轨材料不同性能而添加的。

二、碳在钢轨中的作用

铁素体和渗碳体这两个相组成了对组织的影响珠光体“随钢中的含碳量的增加，钢中珠光体的含量是随之增加的”如果含碳量处于0.77%水平时，整个组织全部为珠光体组织，它是软韧的铁素体基体上渗碳体以细片状的形式分布，从而由渗使得铁素体得到强化，这时的珠光体组织也就越细，强度也就越高，如果含碳量超过共析成分一定程度时，自碳体相就会在钢的组织中产生，这会对钢轨使用性能产生极为不利的影响。

三、硅在钢轨中的作用

钢中常见的另一種元素是硅″钢中的51根据含量不同，可以分为以夹杂物形式残存于钢中的形态，或是在钢中以合金元素的作用而存的形态。

（1）在钢的Si作为杂质元素冶炼过程中存下来，是伴随着脱氧剂硅铁而进入钢中或者由生铁中残留带来，这时的硅以一种杂质元素形式而存在与钢种，其含量于0.40%，因为硅与氧具有很强的亲合力，所以将其作为脱氧剂，硅铁在炼钢时加入钢中，形成5102氧化物，在钢中以非金属夹杂物的形式残存，脆的特性，疲劳伤损的核心往往是其严重聚集的情况下产生的这种氧化物具有硬而钢的质量也就必然受。

（2）作为合金元素的影响对组织的影响，一方面，钢的共析转变温度会因为硅而提高，从而导致较高的温度下进行，其他金属元素在钢中与硫化合而生成硫化物”在钢锭生产的凝固过程中，较多的硫化物夹杂会在钢液最后凝固的部分聚集，最终出现不均匀的钢的宏观组织在钢液凝固时，一些硫化物溶点较低（如FeS）会沿晶界析出，会造成一些组织呈连续的或不完全连续的网状：而一些硫化物的熔点较高（如MnSC），在钢液凝固以前或凝固过程中就会在晶粒内部形成颗粒状的夹杂物分布，或使得组织在晶界上呈现出不连续的网状。

a.硫对钢的强度而言影响不大，但硫化物夹杂的存在降低了钢的塑性和韧性，特别是经轧制后，由于硫化物被沿某一个防线延伸，而使钢产生了不同程度的方向性.横向的塑性和韧性随锻轧比的增加而降低更多。

b.FeS具有比较低的熔点，容易导致连续的网状组织在晶界上形成，因此过热和过烧在锻轧加热时比较容易出现，这就会在锻轧过程中在钢的表面产生网状裂缝，出现开裂而报废的现象。

c.硫易于导致焊缝热裂的同时，在焊接过程中，硫易于氧化而生成SO₂气体逸出，导致气孔和疏松在焊接金属中出现，因此提高钢的焊接性需要减少硫的存在。

d.有一些观点认为，“/白点0的概率会因为硫的存在而产生减少，所以硫在轨钢中的含量应当适当”为此，在欧洲钢轨标准规定中：硫的下限为0.008%。

四、磷的作用

在炼钢过程中，不能除尽的另一种元素是磷“这是一种有害的杂质元素必须加以限制”但是，在需要提高钢的抗大气腐蚀性能的情况下，提高其在钢中的含量（特别是在含有Cu的情况下）会有比较好的效果，一般的规定是：磷在钢轨中的含量应小于0.030%。

（一）对于钢组织的影响

在铁素体中，磷的溶解度可达2.55%（1049.C），溶解度随着温度的降低而减少，对于某些钢容易造成磷偏析，均匀的组织是很困难得到的，要对其组织有所改善的话，只能采用长时间的扩散退火得办法。

（二）对钢性能的影响

a.在铁素体当中磷会固溶，从而产生强化铁素体，提高钢的强度的效果，但塑性会由此降低的转变，因此，当冷却条件一般时，较细的珠光体组织不容易得到”另一方面，钢的导热性会由于硅变环，会产生严重的钢的脱碳倾向，所以升温速度在加热时不宜太陕.硅还可能导致加热过程中铁素体的晶粒粗化。

b.硅对钢机械性能的影响

首先，硅可以提高钢的强度“硅是一种常见的强化元素，硅的含量高则钢轨硬度就比较高，弹性极限屈强比！强度极限之比和疲劳强度也会因此而增高”这也是硅钢和硅锰钢被选择用来制造弹簧钢的主要原因所在，硅可以提高钢的耐磨性能，这是磨擦发热时的氧化作用可以由于硅的存在而减少和钢的冷变形硬化率会因Si提高的关系“钢的焊接性能会因硅而降低”主要是铁与氧的亲合力没有Si强，因此低熔点的硅酸盐在焊接时容易出现，溶渣和熔化金属的流动性由此增加而引起较严重的喷溅现象，直接使焊缝的质量受到影响“高矽轨在国内也有过研究，硅含量在0.75%到1.15%之间，耐磨性能能最好，但其生产和焊接困难，现已基本停止生产和使用了”大量的gSOMPa级的微合金钢轨目前在铁路上已得到使用，如U75V（u75V），USNbRE（BNbRE），其中51含量水平为0.50—0.90%，均是作为合金元素加入，一方面提高强度改善耐磨性能，另一方面又能兼顾其焊接性能。