锰系低碳铸钢是铁路货车转向架用钢之一，由于这些转向架在0℃以下使用，故而韧性在这类钢种的最终性能中起到了关键性的作用。根据俄罗斯标准GOST32400-2013，20GL钢在-60℃下的韧性必须至少为17J/cm2。
热处理是铸造转向架制造中的关键工序之一，有助于提高转向架的力学性能，特别是韧性。此外，化学成分、非金属夹杂物和铸件缺陷等因素对韧性也会有显著影响。一些研究人员研究了这类钢种的热处理工艺，包括正火、正火+回火、双重正火+回火、双重淬火+回火、体表面淬火（VSQ）和气流控制冷却。正火是改善低合金低碳钢微观组织和力学性能的有效途径。铸钢的正火过程通常是在Ac3线以上30-50℃范围内加热，保温一段时间，用空气冷却。锰系低碳铸钢（20GFL钢）正火的最终组织是铁素体-珠光体，其合金元素偏析，组织不均匀。为了消除这些缺陷，从而获得更好的转向架性能，通常在正火后使用回火。对于正火和回火等热处理方法而言，在低温下同时实现高强度和韧性是至关重要的。
在双重正火+回火处理中，钢从奥氏体区和两相区冷却，然后进行回火，从而形成了多边形铁素体、球状珠光体和回火索氏体，进而改善了钢的冲击性能。双重回火+淬火是钢在回火前先从奥氏体区淬火，然后从两相区淬火。这种热处理方法会形成准多边形针状铁素体和球状渗碳体。Bagmet等人表明，这种三阶段热处理提高了低温下的冲击强度，因此，在-60℃时，夏比冲击试样的冲击强度不低于24.5J/cm2。在VSQ中，铸件用喷水冷却，在铸件壁上形成了一种梯度结构，该结构由硬化的马氏体状表层和具有片状珠光体组织的延性芯部组成。钢的正火断口与VSQ后断口的主要区别在于断口类型，其中VSQ后的断口具有更高的韧性，其特征是韧性-脆性混合断口，以准解理面为主，韧性组分的比例略高。Vainshtein等人研究了均热温度和空冷速率对20GFL钢的影响。较慢的冷却速率导致组织不均匀的形成、碳化物的析出和奥氏体的碳贫化，在奥氏体晶界上形成珠光体网络，降低冲击强度。虽然提高冷却速率有利于奥氏体向下贝氏体区转变，从而在冷却过程中提升了冲击强度。在本研究中，主要考察了两种温度下奥氏体化后冷却速率对GS20Mn5钢组织和力学性能的影响。
01材料和试验方法1.1 铸造工艺
为了生产GS20Mn5钢，在5t感应炉中使用废钢、硅铁、中碳低硫锰铁和低碳铬铁进行冶炼。随后，在钢包中添加铝以使钢水脱氧，最后在粘土砂模具中制作了基尔试块铸件，其钢样化学成分如表1所示。
1.2 热处理
奥氏体化处理后冷却速率的确定是将从基尔试块（尺寸170mm×20mm×20mm）上切得的试样在880℃和930℃的炉中加热2h，然后在不同的环境中冷却到室温。冷却条件如表2所示，图1示意性地显示了冷却通道装置。为了确定从奥氏体化温度到650℃的冷却速率，将热电偶插入到试样末端的孔中，通过数据记录器将温度作为时间的函数进行记录。
1.3 评价
试样在2%的Nital溶液中腐蚀10-12s。使用ImageJ软件测定铁素体和珠光体组织的百分比及其尺寸，借助配备EDAX分析仪的VEGA//TESACAN扫描电子显微镜观察金相试样，并利用该系统对冲击试验产生的断口进行了分析。
根据俄罗斯标准GOST9454-78，用基尔试块铸件制作了尺寸为10mm×10mm×55mm的V型缺口冲击试样。对于每一种情况，都会对三个试样进行测试，取平均值。所有冲击试验在-60℃下进行，温度由Cryo Porter CS80C仪器调节。
根据俄罗斯标准GOST1497-84，从基尔试块铸件中制作出直径为5mm、初始长度为25mm的拉伸试样。每种情况下，对三个试样进行测试并取平均值。
硬度试验按照维氏方法在Testor-2RC自动系统上进行，载荷为10kg。对于每一种情况，对三个试样进行测试并取平均值。
02结果和讨论2.1 奥氏体化温度的冷却速率
在880℃和930℃的温度下加热2h，直到温度降至650℃。最初冷却速率很快，但在很短的一段时间后，不同冷却环境导致的冷却速率差异变得非常明显。
在正常空气中冷却的试样的冷却速率较低，约为1℃/s，而在不同湿度百分比的增压空气中冷却的试样的冷却速率较高，在2.5-5.4℃/s之间变化。从图2所示的结果可以看出，从880℃到930℃，随着奥氏体化温度的升高，冷却速率略有增大。
2.2 力学性能与显微组织
钢样的屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）、延伸率（El）和硬度的平均值如图3所示。观察到，GS20Mn5钢的强度随着湿度（或冷却速率）的增加而增大，斜率较慢，但硬度随着斜率的增大而增大。GS20Mn5钢的强度和硬度的提高主要是由钢组织引起的，组织中珠光体和铁素体区分布不均匀。由于碳在凝固过程中被排入晶胞边界，珠光体团位于晶胞边界，单个铁素体位于晶胞中心。
随着冷却速率的增加，部分组织特征发生了变化。从提高试样强度和硬度的因素来看，主要包括珠光体团的体积分数增大，单个铁素体体积分数、珠光体团和单个铁素体尺寸的减小。
图4显示了在880℃奥氏体化以及不同速率冷却下试样的显微组织。结果表明，随着冷却介质水分的增加，单个铁素体和珠光体团的尺寸变小，珠光体含量增加，铁素体含量减少。珠光体的形态对力学性能也有影响。Calik等人报告说，当钢样以较慢的速率冷却时，碳可以扩散得更远，富碳相Fe3C的间距更大，由此形成的珠光体被称为“粗大珠光体”。当钢样以较快的速率冷却时，碳只能在短距离内扩散，从而在碳钢中形成细小珠光体。图5表明，随着冷却速率的增加，珠光体团中的片层间距减小，粗大珠光体逐渐变成细小珠光体，这也是提高钢材强度和硬度的一个因素，图6显示了GS20Mn5钢在880℃奥氏体化后的珠光体组织。相比静止空气条件，在湿度为70%的增压空气中冷却的试样中的珠光体组织更细小。
相比880℃的奥氏体化条件，在930℃奥氏体化时，钢样的强度和硬度更高（图3），因为在更高的温度下冷却速率略高（图2）。因此，较快的冷却速率导致珠光体的体积增加，此外，珠光体的体积、珠光体团的尺寸、单个铁素体的尺寸以及珠光体团中铁素体和渗碳体层的厚度（图5）都有所减小，这些变化使得强度和硬度提高。
图7显示了GS20Mn5钢在-60℃下的冲击功的平均值。基于图7和图2，随着冷却速率从1℃/s增加到2.8℃/s，钢样的冲击功提高了约47%，但当冷却速率增加到5.3℃/s时，冲击功急剧下降。与冲击功相似，当冷却速率提高到2.8℃/s时，延伸率增大，然后减小。铸造转向架钢棒的最重要的力学性能之一就是冲击韧性，根据GOST32400规定，货车转向架钢棒用钢的冲击韧性在-60℃时至少为17J/cm2。因此，如果将GS20Mn5钢的冷却速率提高到2.8℃/s，冲击功将比要求的最小值高出76%。随着冷却速率的增加冲击功增大，相关影响因素如图7所示。珠光体和单个铁素体的分布变得更加均匀，如图4所示，与此同时，珠光体团变小，最终失去其细长的形貌。
随着冷却速率的增加，珠光体团中铁素体和渗碳体层的厚度减小（图5）。尽管珠光体组织中铁素体层厚度减小，由此降低了冲击韧性，但同时渗碳体层厚度的减小则改善了冲击韧性。原则上来说，较高体积分数的珠光体降低了延性和冲击韧性。随着冷却速率增大，珠光体增加，冲击功减小。当冲击功增大的因素占主导地位时，韧性增大，反之，韧性减小，在这些因素影响下冲击功的变化如图7所示。这些试样的断口如图8所示，断口形貌可以准确地反映整个冲击断口的断裂模式。在空冷试样中，断裂机制为韧性断裂，以准解理区为主。韧性组分主要是由准解理区域包围的小韧窝（图8（a））。当湿度达到50%时，韧性组分的小韧窝增加，而准解理区域减少（图8（b））。当湿度增加高达70%时，断口的大小韧窝都会增加（图8（c））。随后，当湿度增加到90%时，就会形成尺寸较小的准解理区域（图8（d））。
随着奥氏体化温度的升高，奥氏体晶粒可以长大，使得晶粒内碳的分布更加均匀，有利于珠光体和铁素体在组织中的均匀分布。因此，930℃奥氏体化改变了铁素体和珠光体在组织中的分布，使其比880℃奥氏体化更加均匀，并且珠光体团中渗碳体层的厚度更小（图5）。因此，在930℃奥氏体化的GS20Mn5钢的冲击功和延性更高（图7）。
03结论研究了两种温度奥氏体化后不同冷却速率对铸造转向架用钢GS20Mn5微观组织和力学性能的影响，相关研究成果如下。
1）GS20Mn5钢微观组织由珠光体团和单一铁素体组成。
2）随着冷却速率的增加，珠光体团的体积分数增大，而单个铁素体的体积分数减小。
3）随着冷却速率的增加，珠光体团和单个铁素体的尺寸减小。
4）随着冷却速率的增加，珠光体的形态由细长状转变为非细长状，分布均匀。
5）随着冷却速率的增加，珠光体组织变得更加细小。
6）提高奥氏体化温度和冷却速率对钢组织几乎具有相同的效果。
7）随着冷却速率的增加，GS20Mn5钢的硬度和拉伸性能增大。
8）随着冷却速率的增加，钢样的韧性和延性开始增大，但在某一点上开始下降。
9）随着奥氏体化温度的升高，钢样的韧性和延性增大。
