U71Mn钢轨气压焊接头的损伤行为

蒋文娟，王文健，丁昊昊，郭 俊，刘启跃

(1.西南交通大学，牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所，成都 610031;2.四川工程职业技术学院材料工程系，德阳 618000)

0 引 言

无缝线路是指通过焊接技术将25 m标准长度钢轨连接成的长钢轨线路[1]，与通过螺栓连接钢轨的线路相比，无缝线路不存在轨缝，能最大限度地保持线路的连续性和整体性，大大改善接头区域的轮轨相互作用，从而保证列车的良好运行[2]。然而，根据现场调查结果，发现焊接接头部位是钢轨轨道薄弱环节[3]，其损伤在无缝线路损伤中占较大比例[4-5]。陈明鸣等[6]对成昆线气压焊和闪光焊接头处的断裂钢轨进行分析，发现钢轨均发生疲劳断裂，裂纹源位于焊瘤趾部或焊瘤内部靠近轨腰表面处。王莹莹[7]研究了闪光焊灰斑形成机理以及轨底次表面微裂纹缺陷的形成原因和形成过程。KIM等[8]利用有限元方法分析得到，钢轨焊接接头中母材和熔合线处的强度是影响钢轨断裂形式的主要因素。钢轨焊接接头质量影响线路的平顺性，接头处的不平顺导致接头熔合线处的冲击载荷升高，从而进一步加速裂纹扩展[9-11]。已有研究表明，焊接接头的不均匀损伤会加速钢轨焊接接头的裂纹扩展和断裂，但是对接头，特别是气压焊接头不均匀损伤行为以及机理的研究还鲜有报道。因此，作者以服役后的U71Mn钢轨气压焊接头为研究对象，通过硬度测试、裂纹形貌及微观组织观察等方法，分析了气压焊接头的损伤行为和机理，以期为焊接接头的维护及钢轨气压焊接工艺的改进提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为北京地铁服役后的U71Mn钢轨气压焊接头。母材U71Mn钢的化学成分见表1，抗拉强度不低于880 MPa，屈服强度不低于457 MPa，硬度为291 HV。

表1 U71Mn钢的化学成分(质量分数)

图1 钢轨接头表面轮廓分析位置示意

利用着色探伤法对服役后的钢轨接头(包括熔合线及热影响区)及部分母材表面进行无损检测。采用JB-6C型表面轮廓仪，并以原钢轨表面为基准面，对距钢轨内侧8，20，35 mm处钢轨表面轮廓进行分析，具体分析位置如图1所示。在距钢轨内侧8，20，35 mm处沿接头纵向切开后，经粗磨、精磨、抛光后，用BX60M型光学显微镜观察裂纹形貌，然后用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在QUANTA200 FEI型扫描电子显微镜(SEM)上观察显微组织及裂纹扩展形貌；采用MVK-H21型维氏硬度计在钢轨纵向剖面距表面1.5 mm处，从接头中心向两侧每隔2 mm取点测硬度，载荷为0.98 N，保载时间为10 s。

2 试验结果与讨论

2.1 表面轮廓

由图2可以看出：服役接头表面存在裂纹，且主要集中在轨角区域；接头表面不平整，存在明显低凹区域。由图3可以看出：接头中心及两侧距接头中心30～50 mm处存在低凹区域，说明接头轮轨接触区域表面是不平整的，且由于接触情况不同，表面低凹的程度也不同。

图2 着色探伤后服役钢轨接头的表面形貌

图3 服役钢轨接头不同位置的纵向轮廓

2.2 硬度及组织

图4 服役钢轨接头不同位置的纵向硬度分布

由图4可以看出：服役接头不同位置的纵向硬度分布不均匀，在接头中心两侧存在软化区，其硬度比母材的低约90%，这与接头轮廓曲线低凹位置吻合；距钢轨内侧8 mm处的截面硬度最高，距钢轨内侧20 mm处的次之，距钢轨内侧35 mm处的最低。在轮轨接触的循环作用下，服役钢轨接头表面硬度发生变化，轮轨接触循环作用越剧烈的位置，其表面硬化程度越大。未服役钢轨气压焊接头中心两侧也存在软化区[12]，软化区并未随着钢轨的接触硬化而消失，软化区的硬度同样随着轮轨接触循环作用的增强而升高，但仍然低于母材的硬度。

由图5可知，服役接头由热影响区、熔合线和母材组成。由图6可知：处于熔合线及紧邻熔合线的区域1组织为层片状珠光体，但是层片厚度、长度都不均匀；处于热影响区的区域2组织由层片状珠光体和粒状珠光体组成，渗碳体部分球化为颗粒状，少量铁素体分布在珠光体晶团边界；处于热影响区的区域3位于硬度最低的位置，即软化区位置，该区域组织为粒状珠光体，其渗碳体完全球化为颗粒状；处于热影响区的区域4组织为层片状珠光体和粒状珠光体共存，渗碳体呈层片状与颗粒状，而且渗碳体片的长度不一，与区域2相比，该区域渗碳体的层片厚度和层间距均较大；母材组织为层片状珠光体，与熔合线处相比，其渗碳体的层片厚度和层间距更均匀。根据珠光体形态，从熔合线至两侧热影响区可依次分为层片状珠光体区域、部分珠光体球化区I、珠光体球化区、部分珠光体球化区II。从熔合线至母材区，组织由层片状珠光体转变为粒状珠光体再转变为层片状珠光体，珠光体中的渗碳体片层尺寸逐渐变小直至完全球化，然后又变大直至变成均匀的渗碳体片。

图5 服役钢轨接头纵剖面的宏观形貌(距钢轨内侧8 mm)

图6 服役钢轨接头纵剖面不同区域(如图5所示)的SEM形貌(距钢轨内侧8 mm)

2.3 损伤行为

由图7可以看出：距服役钢轨内侧8 mm处，接头区域1的裂纹以与表面成5°～10°的方向(裂纹起始角5°～10°)从表面萌生，并逐渐向内部扩展，裂纹尖端的扩展方向与表面成35°～39°，即裂纹尖端扩展角为35°～39°，裂纹扩展的最大深度约为251 μm，存在二次分枝裂纹；区域2的裂纹间距较大，裂纹起始角为11°～14°，裂纹尖端最大扩展角为35°，裂纹扩展最大深度约310 μm，其中裂纹a比较平滑，裂纹b上出现很多细小的分枝裂纹，这些分枝裂纹的扩展方向比较随机；在区域3中，裂纹从表面或次表面萌生，单位长度内裂纹的密度最大，裂纹扩展较平缓，但是在主裂纹上存在二次裂纹，最大扩展角度达到45°；区域4的裂纹从表面萌生，并以较小的角度平缓扩展，扩展的最大深度约为354 μm，最大长度可达1 583 μm，同时表面还存在压溃和大块金属脱落的现象；母材区的裂纹上存在很多细小的平行于表面的分枝裂纹，主裂纹间距较大，裂纹呈多层台阶状扩展，裂纹尖端的最大扩展角为18°。由图8可知：距服役钢轨内侧35 mm处，接头表面(区域1)存在很多从表面或者次表面萌生的裂纹，表面金属有脱落趋势，且接头其他区域也观察到相似的轻微损伤现象。在轮轨滚动接触时，轮轨表面的摩擦力导致钢轨表层形成塑性流变层[13]，钢轨表面裂纹形成后沿着塑性流变的方向扩展。

图7 距服役钢轨内侧8 mm处接头不同位置纵剖面裂纹形貌

图8 距服役钢轨内侧35 mm处接头区域1纵剖面裂纹形貌

由图9可以看出：距服役钢轨内侧8 mm处接头区域1的裂纹起始角最小，裂纹扩展角小于接头其他区域的，但大于母材的；区域2的裂纹起始角与母材的大致相同，但裂纹扩展角大于母材的；区域3的裂纹起始角较小，但裂纹扩展角与区域4的相同，均大于其他区域与母材的，而区域4的裂纹起始角度也最大；母材的裂纹扩展角最小。由图10可知，区域1的裂纹深度最小，母材的平均裂纹深度最大，但是其最大裂纹深度小于区域2，3，4的。由此可知，区域3与区域4中裂纹主要以较大的角度扩展，而母材区中的裂纹更倾向于平稳扩展。

图9 距服役钢轨内侧8 mm处接头不同区域纵剖面的裂纹起始角和裂纹尖端扩展角

图10 距服役钢轨内侧8 mm处接头不同区域纵剖面的裂纹深度

由图11可以看出：在层片状珠光体区域，裂纹优先在渗碳体层片间形成并扩展，渗碳体片约束裂纹的扩展方向，但是当应力超过渗碳体片的强度时，渗碳体片断裂，从而形成穿晶裂纹；在短小层片状珠光体区域，裂纹绕开渗碳体片在铁素体上扩展；在粒状珠光体区域，裂纹的扩展更加容易，由于铁素体的强度远低于渗碳体，当裂纹形成后，裂纹尖端产生应力集中，导致裂纹尖端的铁素体内形成空洞，空洞扩展后与裂纹连接，同时由于粒状渗碳体不易断裂，因此裂纹直接绕过渗碳体扩展而呈波浪形，而非平滑曲线或锯齿形。焊接接头中珠光体球化区及其两侧部分球化区中渗碳体为颗粒状或短小的层片状，裂纹较容易向内部扩展。

气压焊接头表面磨损不均匀，接头两侧距中心30～50 mm处低凹区域的存在与接头硬度分布有关，低凹区域对应位置处的硬度低于母材的。轮轨接触导致钢轨表面硬化，但硬化并不能消除软化区。焊接接头表面硬度分布不均匀与接头组织有关，软化区为粒状珠光体，而软化区两侧为粒状珠光体和层片状珠光体的混合组织。组织的差异导致钢轨表面损伤程度的不同，以及裂纹起始角、裂纹尖端扩展角、裂纹深度的不同，这主要与不同形貌珠光体组织中裂纹的扩展形式有关。在接头软化区，裂纹向钢轨内部扩展倾向更大。

图11 距服役钢轨内侧8 mm处接头纵剖面不同形态珠光体中裂纹尖端的SEM形貌

3 结 论

(1) 服役钢轨气压焊接头表面不平整，在接头两侧距中心30～50 mm处存在低凹区域，与接头软化区的位置吻合。轮轨接触使接头硬度提高，但是软化区的硬度始终低于母材的。

(2) 从接头中心至母材，组织依次为层片状珠光体(熔合线及紧邻熔合线区域)、层片状珠光体和粒状珠光体共混、粒状珠光体、层片状珠光体和粒状珠光体共混、层片状珠光体(母材)；根据珠光体形态，热影响区可分为部分珠光体球化区I、珠光体球化区和部分球光体球化区II；软化区位于珠光体球化区。

(3) 珠光体球化区的裂纹分布密度最大，珠光体球化区和部分珠光体球化区的裂纹扩展深度及裂纹尖端扩展角都较大，这是由于粒状珠光体对裂纹扩展的阻力较小导致的。