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前言

这项工作的目的是检查热变形对AISI 1070钢工业生产的车轮铸件中的缩松和非金属夹杂物的影响。钢的清洁度是一个重要的考虑因素，因为它会影响最终产品的机械性能。高密度的孔隙和夹杂物对机械性能是有害的，尤其是在热轧过程中。使用实验室规模的轧机，对铸造预制件进行66%的累积压下量，以确定热机械加工对孔隙闭合和夹杂物的影响，这些孔隙闭合和夹杂物可能产生机械性能的各向异性。

介绍

早在1947年，美国铁路工程协会(AREA)钢轨委员会就在许多区域公告中报告过夹杂物和缩孔与钢轨故障有关。Hardin和Beckermann已经证明，在AISI 8630钢的拉伸试验过程中，孔隙率会降低弹性模量，并通过射线照相术进行测量。

注意到从150 GPa下降到150 GPa，通过射线照相分析确定的孔隙率差异为0.2。许多研究人员已经证明，由于塑性压缩应变，热轧导致孔隙闭合。已经表明，较高的温度通过易于焊接基体而更有效地封闭孔隙。

在Ganguly等人的研究中，4Johnson-Cook参数被确定并应用于平面应变热轧期间的材料流动预测，其被用于预测不同轧制参数对孔隙闭合的影响。对于相同的压下率，对于轧制规程中的相同道次，温度与等效塑性应变的增加成正比，从1100℃的0.3增加到1300℃的0.45。这些模拟结果与Kukuryk进行的实验测试和模拟一致。

Dhua等人研究了非金属夹杂物(NMI)对铁路工业用珠光体钢商业炉次机械性能的影响。他们的工作主要集中在检验NMI对断裂韧性(K智商)和高周疲劳极限。

提高钢的清洁度也导致疲劳极限从355 MPa增加到355 MPa。格里戈罗维奇等人检查了欧洲和亚洲多家钢轨生产商的机械性能，并得出结论，粗NMI的体积分数可用于表征金属对接触疲劳裂纹成核的敏感性。

他们显示了脆性氧化物夹杂物的体积分数和尺寸之间的关系，这与使用耐久性密切相关，尤其是夹杂物大于8 m。众所周知，NMI的纵横比会影响机械性能，热轧会导致NMI拉长，这对冲击韧性有害。

这通常与总硫含量相关，尽管在足够低的水平下，硫含量的影响较小，如0.3 % wt，Ni-Mo-Cr钢，对于硫含量在0.005至0.017%重量范围内的所有热轧钢样品，其各向异性比(定义为纵向韧性与横向韧性之比)为3.5。

8%热加工对脆性夹杂物和塑性夹杂物的影响不同，并可将方向性引入夹杂物群体。塑性夹杂物的长宽比受热轧的影响最大，热轧与低碳钢的上限能量相关，上限能量详述了拉长的塑性夹杂物对韧性的有害影响。

虽然非金属夹杂物(nmi)是钢精炼和铸造过程中不可避免的结果，但有必要检查它们对最终微观结构的影响，并试图将对机械性能的不利影响降至最低。硫化物和氧硫化物具有与脱氧实践相关的固有形态，包括I型、II型、III型和IV型。脱氧实践包括铝与氧结合并生成铝2O3影响硫化物夹杂的形态。

I型形态是由不完全脱氧产生的，导致随机的大球体和高残余O。如果脱氧产生的高残余al含量和低O、大角度和随机，则有利于形成III型形态。如果达到完全脱氧，则有低的残余al含量和低的O含量，有利于晶粒间细小的II型硫化物。

II型MnS对韧性是有害的。IV型是典型地通过稀土添加或钙处理获得的改进的球状形态。因此，这种形态通常作为夹杂物工程的一部分来实现，以形成具有期望的Al和O含量的有利夹杂物形态。

在文献中已经很好地确立了热加工NMI如MnS导致与横向性能如延展性、疲劳寿命和冲击韧性降低相关的各向异性性能。在本研究中，脱氧实践导致非常低的溶解铝含量(~20 ppm)和低的氧含量(~30 ppm)，导致类型II成为硫化物夹杂物的预期形态。然而，热加工有利于消除宏观偏析，减少缩孔，并细化铸件的晶粒结构。

在火车车轮的铸造过程中，传统上不可能热轧材料，并且在锻造生产线中的传统车轮轧制过程不会引起显著改变机械性能的充分变形。然而，通过使用经过改进的车轮轧机的铸造预成型件，引入了更大的局部变形，例如在车轮的腹板和轮辋部分，导致局部动态再结晶(DRX)和通过细化晶粒尺寸改善特定位置的机械性能。

了解模拟轧制工艺对NMI和孔隙率的影响将确保工业工艺可行，并确定在没有过度各向异性的情况下允许的杂质水平。因此，在通过热轧优化高碳钢机械性能的尝试中，将检查NMI长宽比，以确定是否与之前实验工作的长宽比和各向异性相关。

这项工作的目的是确定任何不连续性，如缩松和NMI，是否对所研究的钢轨钢的断裂有影响。这项工作将研究等温轧制温度对高碳1070钢非金属夹杂物的影响，以及NMI和各向异性之间的关系图1。

程序

这种有问题的钢是工业铸造的，并被切成薄片以供检验。表中给出了样品的平均组成。样品取自电弧炉(EAF)生产的1400磅铸件(约20吨钢)。在出钢前向钢包中加入硅铁和锰铁以脱氧熔体。出钢前，加入少量的铝来清除剩余的氧，以完全杀死钢(图2)。

使用压力浇注技术将钢从钢包浇铸到半永久石墨模具中，由于高热梯度，导致铸件具有柱状枝晶凝固。所提议的工艺将涉及一种模具设计，该设计允许过大的腹板和轮辋区域，该区域将通过使用传统上用于锻造生产线的改进的车轮轧机而经受局部变形。

为了在实验室环境中模拟这一过程，对AISI 1070钢进行了66%累积压下量的等温热轧试验。工业铸造铁路坯料的分析位置如图3所示其被切开以包括中心线偏析区域。准备在20°C下测试的标准U形缺口夏比试样用于分析(图2)在断裂面正下方(~2至3 mm)切取样品。

作为处理条件的简短总结，样品在允许均匀加热的温度下保持1.5小时，然后从约43.5 mm的初始厚度热轧至约14.5 mm，如图3所示然后准备接受ASTM E2的夏比试验。在每个温度下制备一个样品，在每个方向上研究三个夏比样品，取平均值以报告它们的平均缺口韧性。

S和T-L方向准备用于自动特征分析(AFA ),以分析孔隙度和NMI及其对先前实验结果中各向异性的影响。在20°C下测试后，从夏比试样上去除断裂表面，并将下面的表面抛光至0.1 μm。AFA在Aspex扫描电子显微镜(SEM)上进行，加速电压为20 kV。对于每个平坦抛光表面，结合两次扫描，一次聚焦于微孔和缩松，另一次聚焦于NMI。

为了确保结果代表样品，使用了Aspex PICA-1020(颗粒识别和表征分析仪),如图4所示。在此分析过程中，选择一个区域并将其分解为随机选择的多个分析字段(图4a，b)。这些字段是随机选择的，并被分成九个更小的字段(图4c)然后系统地分析其与系统中标记存在夹杂物或孔隙的金属基质的对比差异(图4d)。

识别这种特征的中心，并快速进行EDS分析以收集颗粒的化学信息，用于随后的分类以及每个特征的直径和面积的测量。通过Aspex PICA-1020 (3，527-4，082，取决于数量密度)获得了大量用于有效比较的内含物。对于夹杂物分析，缝合扫描的放大倍数为1000倍，对于孔隙度分析，放大倍数为200倍，以确保对更粗的孔隙进行正确测量。

除了AFA，还使用Xradia 510 Versa X射线显微镜通过铸态和轧制态1000 C材料的显微X射线CT扫描研究了孔隙闭合程度。采用拼接扫描方法，其中初始扫描在160 V下运行，第二次在140 V下运行，并且两次扫描重叠以最小化伪影并增强后处理样品的能力。

CT结果被处理成约10.66微米的切片，然后在Matlab中手动设定阈值，在斐济转换成堆栈，并使用3D viewer插件以3D体积呈现。还在斐济使用3D物体计数器工具测量了颗粒的体积和平均半径。

在AFA和CT扫描中，获得与粒子的大小和数量相关的粒子信息，这些信息与被分析和比较的整个扫描区域相关。最后，为了更好地理解铸态和轧制样品中断裂上的NMIs和缩松之间的相互作用，将L-S和T-L取向的断裂表面切成两半，以显示断裂表面的横截面，并检查基体和主裂纹之间的关系，如图5所示。

将样品抛光至0.05微米光洁度，并用4%的苦味酸蚀刻，然后在Tescan Vega3扫描电子显微镜(SEM)中使用20 kV的加速电压检查。相关特征的背散射电子(BSE)和二次电子(SE)图像被捕获。

AFA孔隙率结果

孔隙度扫描的AFA结果绘制在图6中。所有条件下的平均孔径集中在5-40 μm范围内。铸态条件在160 ppm时具有大于5 μm的最大孔面积分数。粗大孔隙的高含量表明铸态条件下存在中心线收缩。在每种轧制状态下，平均尺寸在5-40 μm之间的孔隙数量小于34 ppm，并且随着轧制温度的升高而降低。

这表明在所有温度下缩松显著减少。从900到1200°C，在5到40 μm的尺寸范围内，孔隙率也从34 ppm明显下降到小于1 ppm，这提供了温度依赖性的一些证据。在所有轧制温度下，直径在2-5 μm之间的孔隙率也在轧制状态下从铸态的12 ppm降低到小于3 ppm。在铸态条件下，大于40 μm的孔的面积分数为21 ppm。

除了尺寸，最近邻距离(NND)量化了孔隙之间的距离，作为参与裂纹萌生可能性的指标。每个样品的NND计算结果示于下表中。通过分离在每次扫描中观察到的孔隙率并测量它们与最近邻孔的相对位置来量化NND。第一个可观察到的趋势是非常高的标准差。

在AFA扫描中，样品表面上孔隙之间的间距不同，一些区域几乎没有或没有孔隙。因此，在铸造或轧制条件下，孔隙不是均匀分布的。平均NND标准偏差的增加可能表明通过热轧孔隙度含量降低，但是图中的尺寸比较6是不同轧制温度下孔隙闭合的更好指示。总的来说，结果仍然表明在1200°C时经历了更大的孔隙闭合，这与Ganguly等人的结果一致。

总结

通过检查所有温度下的自动特征分析结果并与最近邻距离进行比较，温度对孔隙闭合的依赖性是明显的。就大于5微米的孔隙而言，830℃和900℃之间的趋势进一步表明了AFA的缺点，因为就最近邻距离而言的预期趋势将表明在830℃下分析的区域在分析表面上可能是“人工清洁的”,并且在900℃下的样品对于给定温度可能更有代表性。从900到1200°C，观察到粗缩孔隙闭合的温度依赖性，从35 ppm降低到1 ppm。NND测量进一步证实了这种关系，表明NND从铸态的219 m增加到1200℃轧制状态。