新型Cr-Cu-Ni微合金化钢轨钢热变形行为及本构模型研究

本研究针对新型Cr-Cu-Ni合金钢轨在特殊工况下的热加工需求，通过Gleeble-1500热模拟实验系统，在800-1200°C温度范围和0.1-10 s-1应变速率下系统分析了其热变形行为。研究建立了Arrhenius本构模型（Q=293.348 kJ/mol，R2=0.982）和热加工图，确定了最优工艺窗口（1090-1200°C，0.4-1.8 s-1），为高铁道岔尖轨跟端锻造工艺优化提供了理论依据。

　　

随着中国高铁网络的快速扩张，铁路道岔作为轨道系统的关键部件，其服役性能直接影响列车运行的安全性和平稳性。其中，活动心轨辙叉的长尖轨需要特殊的跟端锻造工艺来保证截面平顺过渡，而传统C-Mn钢轨钢在腐蚀环境或低温工况下表现不佳。为此，中国铁道科学研究院金属化学研究所的科研团队开发了一种新型Cr-Cu-Ni微合金化钢轨钢，但其热加工特性尚不明确，这成为制约该材料工程化应用的瓶颈问题。

为解决这一难题，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了最新成果，系统研究了新型钢轨钢的热变形行为。团队采用Gleeble-1500热模拟试验机，对从60AT1钢轨取样获得的Cr-Cu-Ni钢和传统C-Mn钢进行等温压缩实验，温度范围覆盖800-1200°C，应变速率设定为0.1 s^-1、1 s^-1和10 s^-1，最大真应变为0.6。通过分析流变应力曲线、构建本构方程和热加工图，并与微观组织观察相结合，全面评估了新型钢的热加工性能。

关键技术方法包括：从实际钢轨产品中取样制备标准热压缩试样；使用Gleeble-1500热力模拟试验机进行等温压缩实验；基于Arrhenius方程构建本构模型；应用动态材料模型理论建立热加工图；采用金相显微镜观察变形后的组织演变。

3.1. 真应力-真应变分析

研究表明，两种钢的流变应力曲线变化规律基本相似。在低应变速率（0.1 s^-1和1 s^-1）下，当变形温度高于900°C时，曲线先快速上升至峰值应力后下降并趋于稳定，这是加工硬化与动态软化（动态回复和动态再结晶）相互竞争的结果。在800°C低温下，达到峰值应力对应的应变较大（约0.3），且峰值后曲线下降更快，这是因为低温下材料强化限度所需的变形程度更大，且位错能量储备更多，一旦满足动态再结晶条件，软化过程更为迅速。在10 s^-1高应变速率下，高温曲线无明显应力峰，且出现锯齿状波动，这是由动态应变时效（DSA）引起的Portevin-Le Chatelier（PLC）效应所致。比较两种钢的流变行为发现，Cr-Cu-Ni钢的应力值略高于C-Mn钢，合金元素的添加提高了钢的变形抗力。在900-1200°C温度范围内，两种钢的峰值应力相对差异小于10%，且随着应变速率提高，差异逐渐减小。

3.2. 本构分析

基于峰值应力数据，研究人员建立了新型Cr-Cu-Ni钢的Arrhenius本构模型。通过线性拟合确定了材料常数：n₁=6.68258，β=0.06178，α=0.00924，n=4.61651。计算得到热变形激活能Q=293.348 kJ/mol，接近奥氏体自扩散激活能（270 kJ/mol），表明该钢的速率控制机制为扩散控制的位错攀移。Cr、Ni的固溶拖曳效应和Cu析出相的强化作用抑制了位错运动和动态再结晶晶粒长大，导致激活能略有提高。最终建立的本构方程相关系数R²=0.982，平均绝对相对误差（AARE）为4.9%，表明模型具有较高的预测精度。

3.3. 热加工图

基于动态材料模型（DMM）理论，构建了应变0.2、0.4和0.6下的热加工图。功率耗散效率η表征微观组织演变所消耗能量的比例，而流变失稳判据ξ用于识别可能产生微观组织缺陷的区域。结果表明，Cr-Cu-Ni钢的失稳区主要位于低温区域（如ε=0.2时，800-920°C，0.1-10 s^-1）。随着应变增加，低温失稳区范围缩小。安全加工窗口为1090-1200°C，应变速率0.4-1.8 s^-1，此区域内功率耗散效率η大于0.3。与C-Mn钢相比，新型钢的失稳区显著减小，表现出更好的热加工性能。这一优化参数与U71Mn钢轨跟端实际锻造参数（1100-1150°C，应变速率约0.4-1.2 s^-1）基本吻合，表明新型钢可直接沿用现有工艺装备。

3.4. 动态再结晶组织

微观组织观察证实了热变形参数对组织演变的显著影响。在800°C，1 s^-1条件下，原始晶粒沿变形方向伸长，晶界处出现细小的动态再结晶（DRX）晶粒，形成典型的项链状组织。温度升高至1000°C时，再结晶晶粒比例显著增加，完全取代原始晶粒，表明DRX过程完成。当温度达到1200°C时，DRX晶粒明显粗化，平均晶粒度达到6级。这验证了提高变形温度或降低应变速率有利于动态再结晶的充分进行。

研究结论表明，新型Cr-Cu-Ni微合金化钢轨钢具有优于传统C-Mn钢的热加工性能，其建立的本构模型能准确预测热变形行为，确定的热加工窗口为实际生产提供了可靠指导。该研究不仅解决了新型钢轨材料在道岔尖轨制造中的工艺适配性问题，也为其他微合金钢的热加工参数优化提供了方法论借鉴。特别值得注意的是，新型钢在保持更优耐腐蚀性和低温韧性的同时，其热加工特性与现有工艺装备高度兼容，极大降低了产业化应用的技术门槛和改造成本，对于提升特殊工况下铁路道岔的服役性能和安全可靠性具有重要意义。