分享：U71Mn钢轨气压焊接头的损伤行为

蒋文娟1,2,王文健1,丁昊昊1,郭 俊1,刘启跃1 

(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) 

摘 要:采用硬度计、轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜等对服役后的 U71Mn钢轨气压焊 接头的硬度、裂纹形貌及显微组织进行测试与观察,分析接头不同区域的损伤行为。结果表明:焊 接接头两侧距接头中心30~50mm 处存在低凹区域,其位置与软化区位置吻合;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;根据珠光体形态,接头从中心向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;软化区位于珠 光体球化区;珠光体球化区与部分珠光体球化区的裂纹深度和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。

关键词:U71Mn钢轨;气压焊接头;硬度;珠光体;裂纹扩展 中图分类号:TH117.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0043-06 

0 引 言 

无缝线路是指通过焊接技术将25m 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880MPa,屈服强度不低于 457 MPa, 硬度为291HV。 表1 U71Mn钢的化学成分 质量分数 Table1 ChemicalcompositionofU71Mn steel massfraction % C Si Mn P S 0.65~0.76 0.15~0.35 1.10~1.40 ≤0.025 ≤0.025 图1 钢轨接头表面轮廓分析位置示意 Fig.1 Schematicofsurfaceprofileanalysispositionofrailjoint 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8,20,35mm 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 8,20,35mm 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 QUANTA200FEI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1.5mm 处,从接头 中心向两侧每隔2mm 取点测硬度,载荷为0.98N, 保载时间为10s。 

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30~50mm 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。 

2.2 硬度及组织

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8mm 处的截面硬度最高,距钢轨内 侧20mm 处的次之,距钢轨内侧35mm 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。

2.3 损伤行为

 由图7可以看出:距服役钢轨内侧8mm 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251μm, 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310μm,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354μm,最大长度 可达1583μm,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。 由图9可以看出:距服役钢轨内侧8mm 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。 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。

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30~50mm 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。

来源：材料与测试网