U71Mn鋼軌氣壓焊接頭的損傷行為

蔣文娟，王文健，丁昊昊，郭 俊，劉啟躍

(1.西南交通大學，牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都 610031;2.四川工程職業(yè)技術學院材料工程系，德陽 618000)

0 引 言

無縫線路是指通過焊接技術將25 m標準長度鋼軌連接成的長鋼軌線路[1]，與通過螺栓連接鋼軌的線路相比，無縫線路不存在軌縫，能最大限度地保持線路的連續(xù)性和整體性，大大改善接頭區(qū)域的輪軌相互作用，從而保證列車的良好運行[2]。然而，根據現場調查結果，發(fā)現焊接接頭部位是鋼軌軌道薄弱環(huán)節(jié)[3]，其損傷在無縫線路損傷中占較大比例[4-5]。陳明鳴等[6]對成昆線氣壓焊和閃光焊接頭處的斷裂鋼軌進行分析，發(fā)現鋼軌均發(fā)生疲勞斷裂，裂紋源位于焊瘤趾部或焊瘤內部靠近軌腰表面處。王瑩瑩[7]研究了閃光焊灰斑形成機理以及軌底次表面微裂紋缺陷的形成原因和形成過程。KIM等[8]利用有限元方法分析得到，鋼軌焊接接頭中母材和熔合線處的強度是影響鋼軌斷裂形式的主要因素。鋼軌焊接接頭質量影響線路的平順性，接頭處的不平順導致接頭熔合線處的沖擊載荷升高，從而進一步加速裂紋擴展[9-11]。已有研究表明，焊接接頭的不均勻損傷會加速鋼軌焊接接頭的裂紋擴展和斷裂，但是對接頭，特別是氣壓焊接頭不均勻損傷行為以及機理的研究還鮮有報道。因此，作者以服役后的U71Mn鋼軌氣壓焊接頭為研究對象，通過硬度測試、裂紋形貌及微觀組織觀察等方法，分析了氣壓焊接頭的損傷行為和機理，以期為焊接接頭的維護及鋼軌氣壓焊接工藝的改進提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為北京地鐵服役后的U71Mn鋼軌氣壓焊接頭。母材U71Mn鋼的化學成分見表1，抗拉強度不低于880 MPa，屈服強度不低于457 MPa，硬度為291 HV。

表1 U71Mn鋼的化學成分(質量分數)

圖1 鋼軌接頭表面輪廓分析位置示意

利用著色探傷法對服役后的鋼軌接頭(包括熔合線及熱影響區(qū))及部分母材表面進行無損檢測。采用JB-6C型表面輪廓儀，并以原鋼軌表面為基準面，對距鋼軌內側8，20，35 mm處鋼軌表面輪廓進行分析，具體分析位置如圖1所示。在距鋼軌內側8，20，35 mm處沿接頭縱向切開后，經粗磨、精磨、拋光后，用BX60M型光學顯微鏡觀察裂紋形貌，然后用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在QUANTA200 FEI型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察顯微組織及裂紋擴展形貌；采用MVK-H21型維氏硬度計在鋼軌縱向剖面距表面1.5 mm處，從接頭中心向兩側每隔2 mm取點測硬度，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。

2 試驗結果與討論

2.1 表面輪廓

由圖2可以看出：服役接頭表面存在裂紋，且主要集中在軌角區(qū)域；接頭表面不平整，存在明顯低凹區(qū)域。由圖3可以看出：接頭中心及兩側距接頭中心30～50 mm處存在低凹區(qū)域，說明接頭輪軌接觸區(qū)域表面是不平整的，且由于接觸情況不同，表面低凹的程度也不同。

圖2 著色探傷后服役鋼軌接頭的表面形貌

圖3 服役鋼軌接頭不同位置的縱向輪廓

2.2 硬度及組織

圖4 服役鋼軌接頭不同位置的縱向硬度分布

由圖4可以看出：服役接頭不同位置的縱向硬度分布不均勻，在接頭中心兩側存在軟化區(qū)，其硬度比母材的低約90%，這與接頭輪廓曲線低凹位置吻合；距鋼軌內側8 mm處的截面硬度最高，距鋼軌內側20 mm處的次之，距鋼軌內側35 mm處的最低。在輪軌接觸的循環(huán)作用下，服役鋼軌接頭表面硬度發(fā)生變化，輪軌接觸循環(huán)作用越劇烈的位置，其表面硬化程度越大。未服役鋼軌氣壓焊接頭中心兩側也存在軟化區(qū)[12]，軟化區(qū)并未隨著鋼軌的接觸硬化而消失，軟化區(qū)的硬度同樣隨著輪軌接觸循環(huán)作用的增強而升高，但仍然低于母材的硬度。

由圖5可知，服役接頭由熱影響區(qū)、熔合線和母材組成。由圖6可知：處于熔合線及緊鄰熔合線的區(qū)域1組織為層片狀珠光體，但是層片厚度、長度都不均勻；處于熱影響區(qū)的區(qū)域2組織由層片狀珠光體和粒狀珠光體組成，滲碳體部分球化為顆粒狀，少量鐵素體分布在珠光體晶團邊界；處于熱影響區(qū)的區(qū)域3位于硬度最低的位置，即軟化區(qū)位置，該區(qū)域組織為粒狀珠光體，其滲碳體完全球化為顆粒狀；處于熱影響區(qū)的區(qū)域4組織為層片狀珠光體和粒狀珠光體共存，滲碳體呈層片狀與顆粒狀，而且滲碳體片的長度不一，與區(qū)域2相比，該區(qū)域滲碳體的層片厚度和層間距均較大；母材組織為層片狀珠光體，與熔合線處相比，其滲碳體的層片厚度和層間距更均勻。根據珠光體形態(tài)，從熔合線至兩側熱影響區(qū)可依次分為層片狀珠光體區(qū)域、部分珠光體球化區(qū)I、珠光體球化區(qū)、部分珠光體球化區(qū)II。從熔合線至母材區(qū)，組織由層片狀珠光體轉變?yōu)榱钪楣怏w再轉變?yōu)閷悠瑺钪楣怏w，珠光體中的滲碳體片層尺寸逐漸變小直至完全球化，然后又變大直至變成均勻的滲碳體片。

圖5 服役鋼軌接頭縱剖面的宏觀形貌(距鋼軌內側8 mm)

圖6 服役鋼軌接頭縱剖面不同區(qū)域(如圖5所示)的SEM形貌(距鋼軌內側8 mm)

2.3 損傷行為

由圖7可以看出：距服役鋼軌內側8 mm處，接頭區(qū)域1的裂紋以與表面成5°～10°的方向(裂紋起始角5°～10°)從表面萌生，并逐漸向內部擴展，裂紋尖端的擴展方向與表面成35°～39°，即裂紋尖端擴展角為35°～39°，裂紋擴展的最大深度約為251 μm，存在二次分枝裂紋；區(qū)域2的裂紋間距較大，裂紋起始角為11°～14°，裂紋尖端最大擴展角為35°，裂紋擴展最大深度約310 μm，其中裂紋a比較平滑，裂紋b上出現很多細小的分枝裂紋，這些分枝裂紋的擴展方向比較隨機；在區(qū)域3中，裂紋從表面或次表面萌生，單位長度內裂紋的密度最大，裂紋擴展較平緩，但是在主裂紋上存在二次裂紋，最大擴展角度達到45°；區(qū)域4的裂紋從表面萌生，并以較小的角度平緩擴展，擴展的最大深度約為354 μm，最大長度可達1 583 μm，同時表面還存在壓潰和大塊金屬脫落的現象；母材區(qū)的裂紋上存在很多細小的平行于表面的分枝裂紋，主裂紋間距較大，裂紋呈多層臺階狀擴展，裂紋尖端的最大擴展角為18°。由圖8可知：距服役鋼軌內側35 mm處，接頭表面(區(qū)域1)存在很多從表面或者次表面萌生的裂紋，表面金屬有脫落趨勢，且接頭其他區(qū)域也觀察到相似的輕微損傷現象。在輪軌滾動接觸時，輪軌表面的摩擦力導致鋼軌表層形成塑性流變層[13]，鋼軌表面裂紋形成后沿著塑性流變的方向擴展。

圖7 距服役鋼軌內側8 mm處接頭不同位置縱剖面裂紋形貌

圖8 距服役鋼軌內側35 mm處接頭區(qū)域1縱剖面裂紋形貌

由圖9可以看出：距服役鋼軌內側8 mm處接頭區(qū)域1的裂紋起始角最小，裂紋擴展角小于接頭其他區(qū)域的，但大于母材的；區(qū)域2的裂紋起始角與母材的大致相同，但裂紋擴展角大于母材的；區(qū)域3的裂紋起始角較小，但裂紋擴展角與區(qū)域4的相同，均大于其他區(qū)域與母材的，而區(qū)域4的裂紋起始角度也最大；母材的裂紋擴展角最小。由圖10可知，區(qū)域1的裂紋深度最小，母材的平均裂紋深度最大，但是其最大裂紋深度小于區(qū)域2，3，4的。由此可知，區(qū)域3與區(qū)域4中裂紋主要以較大的角度擴展，而母材區(qū)中的裂紋更傾向于平穩(wěn)擴展。

圖9 距服役鋼軌內側8 mm處接頭不同區(qū)域縱剖面的裂紋起始角和裂紋尖端擴展角

圖10 距服役鋼軌內側8 mm處接頭不同區(qū)域縱剖面的裂紋深度

由圖11可以看出：在層片狀珠光體區(qū)域，裂紋優(yōu)先在滲碳體層片間形成并擴展，滲碳體片約束裂紋的擴展方向，但是當應力超過滲碳體片的強度時，滲碳體片斷裂，從而形成穿晶裂紋；在短小層片狀珠光體區(qū)域，裂紋繞開滲碳體片在鐵素體上擴展；在粒狀珠光體區(qū)域，裂紋的擴展更加容易，由于鐵素體的強度遠低于滲碳體，當裂紋形成后，裂紋尖端產生應力集中，導致裂紋尖端的鐵素體內形成空洞，空洞擴展后與裂紋連接，同時由于粒狀滲碳體不易斷裂，因此裂紋直接繞過滲碳體擴展而呈波浪形，而非平滑曲線或鋸齒形。焊接接頭中珠光體球化區(qū)及其兩側部分球化區(qū)中滲碳體為顆粒狀或短小的層片狀，裂紋較容易向內部擴展。

氣壓焊接頭表面磨損不均勻，接頭兩側距中心30～50 mm處低凹區(qū)域的存在與接頭硬度分布有關，低凹區(qū)域對應位置處的硬度低于母材的。輪軌接觸導致鋼軌表面硬化，但硬化并不能消除軟化區(qū)。焊接接頭表面硬度分布不均勻與接頭組織有關，軟化區(qū)為粒狀珠光體，而軟化區(qū)兩側為粒狀珠光體和層片狀珠光體的混合組織。組織的差異導致鋼軌表面損傷程度的不同，以及裂紋起始角、裂紋尖端擴展角、裂紋深度的不同，這主要與不同形貌珠光體組織中裂紋的擴展形式有關。在接頭軟化區(qū)，裂紋向鋼軌內部擴展傾向更大。

圖11 距服役鋼軌內側8 mm處接頭縱剖面不同形態(tài)珠光體中裂紋尖端的SEM形貌

3 結 論

(1) 服役鋼軌氣壓焊接頭表面不平整，在接頭兩側距中心30～50 mm處存在低凹區(qū)域，與接頭軟化區(qū)的位置吻合。輪軌接觸使接頭硬度提高，但是軟化區(qū)的硬度始終低于母材的。

(2) 從接頭中心至母材，組織依次為層片狀珠光體(熔合線及緊鄰熔合線區(qū)域)、層片狀珠光體和粒狀珠光體共混、粒狀珠光體、層片狀珠光體和粒狀珠光體共混、層片狀珠光體(母材)；根據珠光體形態(tài)，熱影響區(qū)可分為部分珠光體球化區(qū)I、珠光體球化區(qū)和部分球光體球化區(qū)II；軟化區(qū)位于珠光體球化區(qū)。

(3) 珠光體球化區(qū)的裂紋分布密度最大，珠光體球化區(qū)和部分珠光體球化區(qū)的裂紋擴展深度及裂紋尖端擴展角都較大，這是由于粒狀珠光體對裂紋擴展的阻力較小導致的。