不同强度等级珠光体钢轨韧性指标对比分析

姚 冬

(中国铁路总公司 工电部，北京 100844)

钢轨是轨道交通中轨道结构的重要组成部分。随着我国高速铁路、重载铁路的快速发展，钢轨材质发生了很大变化，性能指标逐步优化。我国早期使用的钢轨为碳素钢轨，含C量在0.60%～0.70%，20世纪80年代使用平均含C量0.74%的碳素钢轨，强度等级为780 MPa级，在既有线上使用其强度明显不足，伤损严重，使用寿命短。随着列车速度和轴重的增加，不适应性更显突出。之后相继研发了强度880 MPa 级的U71Mn/U71MnG钢轨和强度980 MPa级的U75V/U75VG钢轨，在高速和普速铁路使用。2005年后为了满足重载铁路的发展需要，逐渐开发了强度980 MPa级及以上的U77MnCr,U78CrV，过共析钢等高强钢轨，在重载线路上使用。

珠光体热轧钢轨的强度和韧性取决于C含量、合金元素含量及组织结构。随着C含量逐渐提高和合金元素的加入，钢轨的强度不断提高，韧性指标逐渐下降。目前我国大量使用的U71Mn,U75V,U78CrV三种钢轨的强度和韧性指标不同，适宜在不同的运营条件下使用。

本文重点对我国大量使用的珠光体钢轨的强度与韧性指标进行统计，对强度与韧性指标的影响因素进行分析，提出提高钢轨韧性指标的建议。

1 钢轨的强度及韧性

1.1 钢轨的强度

U71Mn钢轨为我国使用时间最长的C-Mn合金系钢轨，其平均含C量0.71%，强度等级为880 MPa级，钢中含C量较低，Mn含量较高，有较好的韧性、塑性，尤其低温性能较好，焊接性能优良。

U75V钢轨为平均含C量0.75%微合金钢轨，在U71Mn钢轨的基础上增加了C,Si含量，添加了微合金化元素V，降低了Mn含量。热轧状态强度等级为980 MPa，在既有繁忙干线以及重载线路的直线段使用效果较好，但在小半径曲线上其耐磨性明显不足。

U78CrV钢轨为低合金高强耐磨钢轨，是在U75V成分的基础上，提高了C含量，添加了Cr元素，钢中Cr含量0.40%～0.70%，热轧状态钢轨抗拉强度大于 1 080 MPa，热处理状态钢轨抗拉强度大于 1 300 MPa。

3种钢轨的抗拉强度、断后伸长率、轨头顶面硬度要求见表1。

表1 钢轨抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度要求

从2009年开始，原铁道部对钢轨实施批量检验制度，每年对国内4家钢轨生产厂的不同材质钢轨性能指标进行批量检验，积累了大量的检测数据。对近年来常用钢种U71Mn、U75V、U78CrV钢轨的强度和硬度检验结果进行统计，结果见表2。可以看出3种钢轨的强度和硬度指标逐渐增加，塑性指标逐渐降低[1-2]。

表2 3种热轧钢轨拉伸性能及踏面硬度

1.2 钢轨的冲击韧性

在钢轨轨头、轨腰部位取样测试钢轨冲击功，试样采用10 mm×10 mm×55 mm U形缺口试样，对U71Mn,U75V钢轨的轨头、轨腰冲击功进行统计，结果见图1、图2。U71Mn,U75V钢轨轨头冲击功分别为16.0，14.0 J，轨腰冲击功分别为8.7，9.0 J。U78CrV钢轨轨头、轨腰冲击功分别为12.6，9.0 J。

图1 U71Mn钢轨轨腰、轨头冲击功

图2 U75V钢轨左轨腰、头冲击功

1.3 钢轨的断裂韧性和裂纹扩展速率

在钢轨头部取样，测试钢轨-20 ℃下的断裂韧性，试验采用三点弯曲试样，试样厚度25 mm，宽度40 mm，断裂韧性指标KIC见表3。由测试数据可知，U71Mn,U75V,U78CrV钢轨的断裂韧性指标分别为35.2,32.2,27.6 MPa·m1/2。

采用三点弯曲、单边缺口试样，试样厚度20 mm，宽度45 mm，预裂纹长度2.5 mm，应力比为0.5，加载频率20 Hz，测试不同应力强度因子范围ΔK下裂纹扩展速率da/dN，统计结果见表3。

表3 不同强度钢轨断裂韧性和裂纹扩展速率da/dN

2 分析与讨论

2.1 珠光体钢轨组织与性能

珠光体组织是一种片层组织形态，由铁素体片和渗碳体片交替构成。铁素体是碳溶于α-Fe所形成的间隙固溶体，体心立方晶格结构，硬度低。渗碳体片是铁与碳形成的间隙化合物，含C量为 6.69%，熔点为 1 227 ℃ 左右，硬度高(约为800 HB)，塑性和冲击韧性几乎为0，脆性大。珠光体可分为一个个亚晶粒，称为珠光体领域(colony)，领域内的铁素体片和渗碳体片基本平行，遇到晶界后其取向改变。几个珠光体领域又构成珠光体团(nodule)。珠光体钢的力学性能是片间距、渗碳体片厚度和原先奥氏体晶粒尺寸的函数。强度和塑性主要由片间距决定，韧性由原先奥氏体晶粒尺寸决定。珠光体片间距越小强度越高；奥氏体晶粒越细韧性越好。细化珠光体片间距及奥氏体晶粒尺寸不仅提高珠光体强度而且提高其塑韧性。珠光体钢光学显微镜、扫描电镜、投射电镜照片见图3。

珠光体钢的强化方式主要有固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相颗粒强化等，各种强化方式可以单独存在，也可以相互叠加强化基体[3]。

U71Mn,U75V,U78CrV钢轨组织均为珠光体组织，表4列出了3种钢轨组织上的差异。可见珠光体片间距、奥氏体晶粒度及析出碳化物的大小、分布不同。U71Mn轧态组织中没有碳化物的析出，而U75V,U78CrV钢轨因为加入了合金元素V，热轧后在铁素体片内及铁素体与渗碳体界面处均有碳化物析出，颗粒细小，数量非常少。珠光体片间距和晶粒尺寸决定了不同钢轨钢种的强度和韧性指标。3种热轧钢轨相比较，U78CrV钢轨的强度明显高于其他两种钢，韧性指标相对较差。

图3 珠光体钢组织形貌

表4 3种钢轨组织上的差异

2.2 冲击韧性及影响因素

韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。度量韧性的指标有2类：冲击韧性和断裂韧性。

用材料受冲击破断过程所吸收的冲击功大小来表征材料的冲击韧性。在工程上冲击载荷是一类重要的载荷形式，通常用冲击功Ak和冲击值ak表示。

图4 断口形貌

冲击韧性由原奥氏体晶粒尺寸决定。奥氏体晶粒越细，韧性越好。夹杂物、成分偏析、缩松等对冲击韧性产生直接影响。U71Mn,U75V,U78CrV 3种强度等级钢轨的轨头冲击功分别为16.0，14.0，12.6 J。如钢轨中存在夹杂物、成分偏析、缩松缺陷时，冲击功将显著降低。图4分别示出了夹杂物、成分偏析和缩松缺陷。图4(a)为5.5 J的冲击试样断口，解理断口上可见氧化物类夹杂物;图4(b)为冲击功3.0 J的试样断口，解理断口上出现了Mn元素的偏析;图4(c)为冲击功3.5 J的试样断口，解理断口上存在不规则分布的缩松线。由于夹杂物、成分偏析、缩松缺陷的存在，钢轨冲击功最多降低80%。

2.3 断裂韧性及影响因素

断裂韧性是以断裂力学为基础的材料韧性指标。对于最易于扩展的张开型裂纹(I型裂纹)，裂纹尖端应力场的大小可用应力强度因子KI来描述。KI与裂纹形状、尺寸及应力大小有关。使裂纹失稳扩展的应力强度因子临界值KIC即为材料的断裂韧性。各钢轨标准中规定了-20 ℃ 下不同强度等级钢轨的断裂韧性指标平均值不小于29 MPa·m1/2。

断裂韧性作为评价材料抵抗断裂能力的力学性能指标，取决于材料的化学成分、组织结构等内在因素，同时受温度、应变速率等外部因素的影响。对于金属材料，细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧性提高，强烈固溶强化的合金元素，形成金属间化合物的合金元素，因大大降低塑性而使断裂韧性降低，并且随着合金元素浓度的提高，降低作用愈加凸显。非金属夹杂物和脆性第二相存在于裂纹尖端的应力场中时，本身的脆性使其容易形成微裂纹，而且它们易于在晶界或者相界偏聚，降低界面结合能，使界面易于开裂，降低断裂韧性。温度的降低通常会降低断裂韧性，应变速率对断裂韧性的影响类似于温度，增加应变速率相当于降低温度，也可使KIC下降。

U71Mn，U75V，U78CrV热轧钢轨的断裂韧性平均值分别为35.2，32.2，27.6 MPa·m1/2。U78CrV钢轨为微合金高强耐磨钢轨，由于提高了C含量，并且加入了强烈固溶强化合金元素Cr，因此高强U78CrV钢轨的断裂韧性相对较低，裂纹扩展速率相对较快。从北京局丰沙线铺设的热轧U78CrV钢轨的使用效果看，当表面或踏面下形成裂纹后，裂纹扩展较快，短时间内钢轨发生脆断。而U78CrV钢轨热处理后的断裂韧性平均值提高，裂纹扩展速率减小，参见表3。因此，对强度等级在 1 080 MPa 级及以上的热轧钢轨建议在热处理状态下使用，主要在重载线路的小半径曲线使用。

为提高钢轨的塑韧性，近些年来按照提高强度指标同步提高塑韧性指标的技术路线，国内外均开展了贝氏体钢轨相关技术的研究[4-6]。贝氏体和珠光体组织结构不同，性能不同。贝氏体钢轨具有强度高、韧塑性好的特点。我国已研发了贝氏体钢轨，抗拉强度达到了 1 300 MPa 及以上，断后伸长率大于15.0%，断面收缩率大于55.0%，轨面硬度380～420 HB，室温冲击功大于70 J，强度和塑韧性指标超过了珠光体钢轨。研制成功的贝氏体钢轨已在道岔上使用。结果表明，可延长寿命2～4倍以上[7-8]。贝氏体钢轨也在重载线路上试用推广。

3 结论与建议

1)U71Mn，U75V，U78CrV 3种钢轨的抗拉强度平均值分别为944，1 048，1 150 MPa，断后伸长率分别为13.8%，12.0%，9.7%，硬度分别为276，303，325 HB，轨头冲击功分别为16.0，14.0，12.6 J，断裂韧性分别为35.2，32.2，27.6 MPa·m1/2。3种钢轨的强度和硬度逐渐增加，塑性韧性指标逐渐降低。

2)钢轨的强度和塑性主要由珠光体组织的片间距决定，韧性由原奥氏体晶粒尺寸决定。珠光体片间距越小，强度越高；奥氏体晶粒越细，韧性越好。

3)夹杂物、成分偏析、缩松缺陷等对冲击韧性产生直接的影响。材料的化学成分、组织结构是影响断裂韧性的主要内在因素。U78CrV钢轨提高了碳含量、加入了合金元素，钢轨的强度明显高于其他两种钢，韧性指标相对较差。

4)建议钢厂继续减少钢轨的夹杂物、成分偏析、缩松等冶金缺陷，进一步提高高强钢轨的韧性指标。

5)建议强度等级 1 080 MPa 级及以上的U78CrV等热轧钢轨在热处理状态下使用。

6)建议加快强度与塑韧性匹配良好的贝氏体钢轨的研发及应用。