不同強度等級珠光體鋼軌韌性指標對比分析

姚 冬

(中國鐵路總公司 工電部，北京 100844)

鋼軌是軌道交通中軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分。隨著我國高速鐵路、重載鐵路的快速發(fā)展，鋼軌材質(zhì)發(fā)生了很大變化，性能指標逐步優(yōu)化。我國早期使用的鋼軌為碳素鋼軌，含C量在0.60%～0.70%，20世紀80年代使用平均含C量0.74%的碳素鋼軌，強度等級為780 MPa級，在既有線上使用其強度明顯不足，傷損嚴重，使用壽命短。隨著列車速度和軸重的增加，不適應(yīng)性更顯突出。之后相繼研發(fā)了強度880 MPa 級的U71Mn/U71MnG鋼軌和強度980 MPa級的U75V/U75VG鋼軌，在高速和普速鐵路使用。2005年后為了滿足重載鐵路的發(fā)展需要，逐漸開發(fā)了強度980 MPa級及以上的U77MnCr,U78CrV，過共析鋼等高強鋼軌，在重載線路上使用。

珠光體熱軋鋼軌的強度和韌性取決于C含量、合金元素含量及組織結(jié)構(gòu)。隨著C含量逐漸提高和合金元素的加入，鋼軌的強度不斷提高，韌性指標逐漸下降。目前我國大量使用的U71Mn,U75V,U78CrV三種鋼軌的強度和韌性指標不同，適宜在不同的運營條件下使用。

本文重點對我國大量使用的珠光體鋼軌的強度與韌性指標進行統(tǒng)計，對強度與韌性指標的影響因素進行分析，提出提高鋼軌韌性指標的建議。

1 鋼軌的強度及韌性

1.1 鋼軌的強度

U71Mn鋼軌為我國使用時間最長的C-Mn合金系鋼軌，其平均含C量0.71%，強度等級為880 MPa級，鋼中含C量較低，Mn含量較高，有較好的韌性、塑性，尤其低溫性能較好，焊接性能優(yōu)良。

U75V鋼軌為平均含C量0.75%微合金鋼軌，在U71Mn鋼軌的基礎(chǔ)上增加了C,Si含量，添加了微合金化元素V，降低了Mn含量。熱軋狀態(tài)強度等級為980 MPa，在既有繁忙干線以及重載線路的直線段使用效果較好，但在小半徑曲線上其耐磨性明顯不足。

U78CrV鋼軌為低合金高強耐磨鋼軌，是在U75V成分的基礎(chǔ)上，提高了C含量，添加了Cr元素，鋼中Cr含量0.40%～0.70%，熱軋狀態(tài)鋼軌抗拉強度大于 1 080 MPa，熱處理狀態(tài)鋼軌抗拉強度大于 1 300 MPa。

3種鋼軌的抗拉強度、斷后伸長率、軌頭頂面硬度要求見表1。

表1 鋼軌抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度要求

從2009年開始，原鐵道部對鋼軌實施批量檢驗制度，每年對國內(nèi)4家鋼軌生產(chǎn)廠的不同材質(zhì)鋼軌性能指標進行批量檢驗，積累了大量的檢測數(shù)據(jù)。對近年來常用鋼種U71Mn、U75V、U78CrV鋼軌的強度和硬度檢驗結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2?？梢钥闯?種鋼軌的強度和硬度指標逐漸增加，塑性指標逐漸降低[1-2]。

表2 3種熱軋鋼軌拉伸性能及踏面硬度

1.2 鋼軌的沖擊韌性

在鋼軌軌頭、軌腰部位取樣測試鋼軌沖擊功，試樣采用10 mm×10 mm×55 mm U形缺口試樣，對U71Mn,U75V鋼軌的軌頭、軌腰沖擊功進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1、圖2。U71Mn,U75V鋼軌軌頭沖擊功分別為16.0，14.0 J，軌腰沖擊功分別為8.7，9.0 J。U78CrV鋼軌軌頭、軌腰沖擊功分別為12.6，9.0 J。

圖1 U71Mn鋼軌軌腰、軌頭沖擊功

圖2 U75V鋼軌左軌腰、頭沖擊功

1.3 鋼軌的斷裂韌性和裂紋擴展速率

在鋼軌頭部取樣，測試鋼軌-20 ℃下的斷裂韌性，試驗采用三點彎曲試樣，試樣厚度25 mm，寬度40 mm，斷裂韌性指標KIC見表3。由測試數(shù)據(jù)可知，U71Mn,U75V,U78CrV鋼軌的斷裂韌性指標分別為35.2,32.2,27.6 MPa·m1/2。

采用三點彎曲、單邊缺口試樣，試樣厚度20 mm，寬度45 mm，預(yù)裂紋長度2.5 mm，應(yīng)力比為0.5，加載頻率20 Hz，測試不同應(yīng)力強度因子范圍ΔK下裂紋擴展速率da/dN，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 不同強度鋼軌斷裂韌性和裂紋擴展速率da/dN

2 分析與討論

2.1 珠光體鋼軌組織與性能

珠光體組織是一種片層組織形態(tài)，由鐵素體片和滲碳體片交替構(gòu)成。鐵素體是碳溶于α-Fe所形成的間隙固溶體，體心立方晶格結(jié)構(gòu)，硬度低。滲碳體片是鐵與碳形成的間隙化合物，含C量為 6.69%，熔點為 1 227 ℃ 左右，硬度高(約為800 HB)，塑性和沖擊韌性幾乎為0，脆性大。珠光體可分為一個個亞晶粒，稱為珠光體領(lǐng)域(colony)，領(lǐng)域內(nèi)的鐵素體片和滲碳體片基本平行，遇到晶界后其取向改變。幾個珠光體領(lǐng)域又構(gòu)成珠光體團(nodule)。珠光體鋼的力學(xué)性能是片間距、滲碳體片厚度和原先奧氏體晶粒尺寸的函數(shù)。強度和塑性主要由片間距決定，韌性由原先奧氏體晶粒尺寸決定。珠光體片間距越小強度越高；奧氏體晶粒越細韌性越好。細化珠光體片間距及奧氏體晶粒尺寸不僅提高珠光體強度而且提高其塑韌性。珠光體鋼光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、投射電鏡照片見圖3。

珠光體鋼的強化方式主要有固溶強化、細晶強化、位錯強化、第二相顆粒強化等，各種強化方式可以單獨存在，也可以相互疊加強化基體[3]。

U71Mn,U75V,U78CrV鋼軌組織均為珠光體組織，表4列出了3種鋼軌組織上的差異?？梢娭楣怏w片間距、奧氏體晶粒度及析出碳化物的大小、分布不同。U71Mn軋態(tài)組織中沒有碳化物的析出，而U75V,U78CrV鋼軌因為加入了合金元素V，熱軋后在鐵素體片內(nèi)及鐵素體與滲碳體界面處均有碳化物析出，顆粒細小，數(shù)量非常少。珠光體片間距和晶粒尺寸決定了不同鋼軌鋼種的強度和韌性指標。3種熱軋鋼軌相比較，U78CrV鋼軌的強度明顯高于其他兩種鋼，韌性指標相對較差。

圖3 珠光體鋼組織形貌

表4 3種鋼軌組織上的差異

2.2 沖擊韌性及影響因素

韌性是指材料抵抗裂紋萌生與擴展的能力。度量韌性的指標有2類：沖擊韌性和斷裂韌性。

用材料受沖擊破斷過程所吸收的沖擊功大小來表征材料的沖擊韌性。在工程上沖擊載荷是一類重要的載荷形式，通常用沖擊功Ak和沖擊值ak表示。

圖4 斷口形貌

沖擊韌性由原奧氏體晶粒尺寸決定。奧氏體晶粒越細，韌性越好。夾雜物、成分偏析、縮松等對沖擊韌性產(chǎn)生直接影響。U71Mn,U75V,U78CrV 3種強度等級鋼軌的軌頭沖擊功分別為16.0，14.0，12.6 J。如鋼軌中存在夾雜物、成分偏析、縮松缺陷時，沖擊功將顯著降低。圖4分別示出了夾雜物、成分偏析和縮松缺陷。圖4(a)為5.5 J的沖擊試樣斷口，解理斷口上可見氧化物類夾雜物;圖4(b)為沖擊功3.0 J的試樣斷口，解理斷口上出現(xiàn)了Mn元素的偏析;圖4(c)為沖擊功3.5 J的試樣斷口，解理斷口上存在不規(guī)則分布的縮松線。由于夾雜物、成分偏析、縮松缺陷的存在，鋼軌沖擊功最多降低80%。

2.3 斷裂韌性及影響因素

斷裂韌性是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的材料韌性指標。對于最易于擴展的張開型裂紋(I型裂紋)，裂紋尖端應(yīng)力場的大小可用應(yīng)力強度因子KI來描述。KI與裂紋形狀、尺寸及應(yīng)力大小有關(guān)。使裂紋失穩(wěn)擴展的應(yīng)力強度因子臨界值KIC即為材料的斷裂韌性。各鋼軌標準中規(guī)定了-20 ℃ 下不同強度等級鋼軌的斷裂韌性指標平均值不小于29 MPa·m1/2。

斷裂韌性作為評價材料抵抗斷裂能力的力學(xué)性能指標，取決于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，同時受溫度、應(yīng)變速率等外部因素的影響。對于金屬材料，細化晶粒的合金元素因提高強度和塑性，可使斷裂韌性提高，強烈固溶強化的合金元素，形成金屬間化合物的合金元素，因大大降低塑性而使斷裂韌性降低，并且隨著合金元素濃度的提高，降低作用愈加凸顯。非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場中時，本身的脆性使其容易形成微裂紋，而且它們易于在晶界或者相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開裂，降低斷裂韌性。溫度的降低通常會降低斷裂韌性，應(yīng)變速率對斷裂韌性的影響類似于溫度，增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使KIC下降。

U71Mn，U75V，U78CrV熱軋鋼軌的斷裂韌性平均值分別為35.2，32.2，27.6 MPa·m1/2。U78CrV鋼軌為微合金高強耐磨鋼軌，由于提高了C含量，并且加入了強烈固溶強化合金元素Cr，因此高強U78CrV鋼軌的斷裂韌性相對較低，裂紋擴展速率相對較快。從北京局豐沙線鋪設(shè)的熱軋U78CrV鋼軌的使用效果看，當(dāng)表面或踏面下形成裂紋后，裂紋擴展較快，短時間內(nèi)鋼軌發(fā)生脆斷。而U78CrV鋼軌熱處理后的斷裂韌性平均值提高，裂紋擴展速率減小，參見表3。因此，對強度等級在 1 080 MPa 級及以上的熱軋鋼軌建議在熱處理狀態(tài)下使用，主要在重載線路的小半徑曲線使用。

為提高鋼軌的塑韌性，近些年來按照提高強度指標同步提高塑韌性指標的技術(shù)路線，國內(nèi)外均開展了貝氏體鋼軌相關(guān)技術(shù)的研究[4-6]。貝氏體和珠光體組織結(jié)構(gòu)不同，性能不同。貝氏體鋼軌具有強度高、韌塑性好的特點。我國已研發(fā)了貝氏體鋼軌，抗拉強度達到了 1 300 MPa 及以上，斷后伸長率大于15.0%，斷面收縮率大于55.0%，軌面硬度380～420 HB，室溫沖擊功大于70 J，強度和塑韌性指標超過了珠光體鋼軌。研制成功的貝氏體鋼軌已在道岔上使用。結(jié)果表明，可延長壽命2～4倍以上[7-8]。貝氏體鋼軌也在重載線路上試用推廣。

3 結(jié)論與建議

1)U71Mn，U75V，U78CrV 3種鋼軌的抗拉強度平均值分別為944，1 048，1 150 MPa，斷后伸長率分別為13.8%，12.0%，9.7%，硬度分別為276，303，325 HB，軌頭沖擊功分別為16.0，14.0，12.6 J，斷裂韌性分別為35.2，32.2，27.6 MPa·m1/2。3種鋼軌的強度和硬度逐漸增加，塑性韌性指標逐漸降低。

2)鋼軌的強度和塑性主要由珠光體組織的片間距決定，韌性由原奧氏體晶粒尺寸決定。珠光體片間距越小，強度越高；奧氏體晶粒越細，韌性越好。

3)夾雜物、成分偏析、縮松缺陷等對沖擊韌性產(chǎn)生直接的影響。材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)是影響斷裂韌性的主要內(nèi)在因素。U78CrV鋼軌提高了碳含量、加入了合金元素，鋼軌的強度明顯高于其他兩種鋼，韌性指標相對較差。

4)建議鋼廠繼續(xù)減少鋼軌的夾雜物、成分偏析、縮松等冶金缺陷，進一步提高高強鋼軌的韌性指標。

5)建議強度等級 1 080 MPa 級及以上的U78CrV等熱軋鋼軌在熱處理狀態(tài)下使用。

6)建議加快強度與塑韌性匹配良好的貝氏體鋼軌的研發(fā)及應(yīng)用。