EA4T(25CrMo)大直径的高铁车轴在调质热处理过程中易产生混晶和淬透性不足的现象,导致其强韧性不佳,从而影响车轴的疲劳性能。针对EA4T车轴存在的上述问题,本课题通过添加微合金元素Nb,抑制奥氏体化过程中晶粒的粗化,得到细小均匀的奥氏体晶粒,晶粒细化可同时提高钢的强度和韧性。同时,晶粒细化也会降低钢的淬透性,通过在含Nb钢中添加微量B提高大直径车轴的淬透性,减少车轴内部大尺寸的铁素体含量,以提高钢的强度。车轴热处理前需经锻造热变形,一般情况下钢中添加Nb会恶化钢的热塑性,而添加B能改善钢的热塑性。因此本课题首先研究了 Nb-B复合微合金化对车轴钢热加工性能的影响并分析其影响机理。B的合金化作用与热处理工艺参数密切相关,因此本课题深入研究了不同热处理条件下含B相的溶解和析出行为以及其对淬透性和冲击韧性的影响机理。本课题在Nb-B复合微合金化的基础上研究了 Mo和V含量对调质钢中马氏体结构和碳化物析出相的影响,并系统深入地分析了其对力学性能的影响机理。本研究为实际生产中优化车轴钢的成分、热加工工艺和热处理工艺,改善车轴钢的力学性能提供科学依据。形变速率为0.5s-1时,Nb-B复合微合金化实验钢的热拉伸实验结果表明:实验钢中添加0.04%Nb,对热塑性没有明显影响。随着含Nb钢中B含量从20 ppm增加至36 ppm,偏聚到奥氏体晶界的B原子数量增加,热塑性得到明显改善。在含Nb钢中添加B后铁素体转变推迟,使γ+α两相区基本无铁素体组织,从而避免了形变过程中在铁素体内产生应力集中。较高的形变速率下,Nb-B复合微合金化对实验钢热塑性有明显改善。热处理工艺对Nb-B复合微合金化实验钢的淬透性和力学性能影响的研究结果表明:随钢中B含量从20 ppm增加至36 ppm、奥氏体化温度升高或保温时间延长,钢的淬透性均降低。较高的奥氏体化温度或较长的保温时间促进更多的M2B溶解到奥氏体中,过量的B原子偏聚到奥氏体晶界促进M2B在奥氏体化过程中沿晶界重新析出而恶化钢的淬透性。另外,较低奥氏体化温度的双次淬火可以同时改善含B钢的淬透性和冲击韧性。随回火温度升高或保温时间延长,碳化物发生粗化,特别是晶界和板条间的碳化物粗化更加明显。回火钢中的碳化物主要有M23C6,M7C3和MC。M23C6易于在原奥氏体晶界、亚晶界和板条间析出且容易粗化;M7C3和MC 一般在基体上析出。回火过程中马氏体组织的粗化降低了亚晶界上粗大的M23C6析出相的数量,从而在一定程度上降低了其对韧性的不利作用。淬火过程中偏聚到奥氏体晶界的B促进M2B在回火过程中析出,硬而脆的M2B在晶界析出显著降低钢的韧性。Mo和V含量对Nb-B复合微合金化实验钢的组织、析出相和性能的研究结果表明:随钢中V含量从0%增加到0.12%,抗拉强度明显上升,而冲击韧性明显下降。热力学计算结果显示,这主要是由于随V含量的增加,实验钢中M23C6型碳化物析出量减少,而MC型碳化物析出量明显增加。细小弥散的MC碳化物使析出强化效果明显增加。同时,增加钢中V含量使基体中固溶的V含量也有所提高。析出强化和固溶强化共同作用明显提高了钢的强度,同时降低钢的韧性。随实验钢中Mo含量的增加,马氏体有效晶粒尺寸和马氏体板条宽度有所细化。使用JMatPro计算的CCT曲线显示,Mo能明显推迟铁素体和珠光体转变,提高过冷奥氏体的稳定性并降低马氏体转变点。因此,随Mo含量的增加,马氏体组织得到细化,同时位错密度提高。热力学计算结果显示,随钢中Mo含量从0%增加至0.50%,M7C3型碳化物析出量有所减少;Mo含量从0%增加至0.25%时,MC型碳化物析出量增加;随Mo含量从0.25%增加至0.50%,M23C6析出量明显增加。细小的MC型碳化物析出强化效果明显,同时恶化钢的韧性。因此,随钢中Mo含量增加至0.25%,强度升高而韧性降低。当Mo含量从0.25%增加至0.50%时,尽管M23C6析出量明显增加,但是由于马氏体结构的细化和位错密度的增加使碳化物的形核位置增加,以及富Mo碳化物热稳定性的提高,使回火时析出的碳化物尺寸有所减小。另外,马氏体有效晶粒尺寸的细化有利于改善钢的韧性。因此,与0.25%Mo的实验钢相比,0.50%Mo的实验钢在强度提高的同时,韧性并没有降低。同时Mo含量为0.50%的25CrMoNbB实验钢具有优异的旋转弯曲疲劳性能。