姚 冬

(中國(guó)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(guó)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(biāo)逐步優(yōu)化。我國(guó)早期使用的鋼軌為碳素鋼軌，含C量在0.60%～0.70%，20世紀(jì)80年代使用平均含C量0.74%的碳素鋼軌，強(qiáng)度等級(jí)為780 MPa級(jí)，在既有線上使用其強(qiáng)度明顯不足，傷損嚴(yán)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(qiáng)度880 MPa 級(jí)的U71Mn/U71MnG鋼軌和強(qiáng)度980 MPa級(jí)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(qiáng)度980 MPa級(jí)及以上的U77MnCr,U78CrV，過共析鋼等高強(qiáng)鋼軌，在重載線路上使用。

珠光體熱軋鋼軌的強(qiáng)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(qiáng)度不斷提高，韌性指標(biāo)逐漸下降。目前我國(guó)大量使用的U71Mn,U75V,U78CrV三種鋼軌的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)不同，適宜在不同的運(yùn)營(yíng)條件下使用。

本文重點(diǎn)對(duì)我國(guó)大量使用的珠光體鋼軌的強(qiáng)度與韌性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)強(qiáng)度與韌性指標(biāo)的影響因素進(jìn)行分析，提出提高鋼軌韌性指標(biāo)的建議。

1 鋼軌的強(qiáng)度及韌性

1.1 鋼軌的強(qiáng)度

U71Mn鋼軌為我國(guó)使用時(shí)間最長(zhǎng)的C-Mn合金系鋼軌，其平均含C量0.71%，強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa級(jí)，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(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)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(qiáng)度大于 1 080 MPa，熱處理狀態(tài)鋼軌抗拉強(qiáng)度大于 1 300 MPa。

3種鋼軌的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、軌頭頂面硬度要求見表1。

表1 鋼軌抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和軌頭頂面硬度要求

從2009年開始，原鐵道部對(duì)鋼軌實(shí)施批量檢驗(yàn)制度，每年對(duì)國(guó)內(nèi)4家鋼軌生產(chǎn)廠的不同材質(zhì)鋼軌性能指標(biāo)進(jìn)行批量檢驗(yàn)，積累了大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)近年來(lái)常用鋼種U71Mn、U75V、U78CrV鋼軌的強(qiáng)度和硬度檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2?？梢钥闯?種鋼軌的強(qiáng)度和硬度指標(biāo)逐漸增加，塑性指標(biāo)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(cè)試鋼軌沖擊功，試樣采用10 mm×10 mm×55 mm U形缺口試樣，對(duì)U71Mn,U75V鋼軌的軌頭、軌腰沖擊功進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(kuò)展速率

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

采用三點(diǎn)彎曲、單邊缺口試樣，試樣厚度20 mm，寬度45 mm，預(yù)裂紋長(zhǎng)度2.5 mm，應(yīng)力比為0.5，加載頻率20 Hz，測(cè)試不同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK下裂紋擴(kuò)展速率da/dN，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同強(qiáng)度鋼軌斷裂韌性和裂紋擴(kuò)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(diǎn)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(gè)個(gè)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(gè)珠光體領(lǐng)域又構(gòu)成珠光體團(tuán)(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(qiáng)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(qiáng)度越高；奧氏體晶粒越細(xì)韌性越好。細(xì)化珠光體片間距及奧氏體晶粒尺寸不僅提高珠光體強(qiáng)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(qiáng)化方式主要有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、第二相顆粒強(qiáng)化等，各種強(qiáng)化方式可以單獨(dú)存在，也可以相互疊加強(qiáng)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?yàn)榧尤肓撕辖鹪豓，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(xì)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(qiáng)度和韌性指標(biāo)。3種熱軋鋼軌相比較，U78CrV鋼軌的強(qiáng)度明顯高于其他兩種鋼，韌性指標(biāo)相對(duì)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(kuò)展的能力。度量韌性的指標(biāo)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(lái)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(xì)，韌性越好。夾雜物、成分偏析、縮松等對(duì)沖擊韌性產(chǎn)生直接影響。U71Mn,U75V,U78CrV 3種強(qiáng)度等級(jí)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(shí)，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(biāo)。對(duì)于最易于擴(kuò)展的張開型裂紋(I型裂紋)，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI來(lái)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(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界值KIC即為材料的斷裂韌性。各鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了-20 ℃ 下不同強(qiáng)度等級(jí)鋼軌的斷裂韌性指標(biāo)平均值不小于29 MPa·m1/2。

斷裂韌性作為評(píng)價(jià)材料抵抗斷裂能力的力學(xué)性能指標(biāo)，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(shí)受溫度、應(yīng)變速率等外部因素的影響。對(duì)于金屬材料，細(xì)化晶粒的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性，可使斷裂韌性提高，強(qiáng)烈固溶強(qiáng)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(chǎng)中時(shí)，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(huì)降低斷裂韌性，應(yīng)變速率對(duì)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(qiáng)耐磨鋼軌，由于提高了C含量，并且加入了強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化合金元素Cr，因此高強(qiáng)U78CrV鋼軌的斷裂韌性相對(duì)較低，裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)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(kuò)展較快，短時(shí)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(kuò)展速率減小，參見表3。因此，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)在 1 080 MPa 級(jí)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(lái)按照提高強(qiáng)度指標(biāo)同步提高塑韌性指標(biāo)的技術(shù)路線，國(guó)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(qiáng)度高、韌塑性好的特點(diǎn)。我國(guó)已研發(fā)了貝氏體鋼軌，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 1 300 MPa 及以上，斷后伸長(zhǎng)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(qiáng)度和塑韌性指標(biāo)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(zhǎng)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(qiáng)度平均值分別為944，1 048，1 150 MPa，斷后伸長(zhǎng)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(qiáng)度和硬度逐漸增加，塑性韌性指標(biāo)逐漸降低。

2)鋼軌的強(qiáng)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(qiáng)度越高；奧氏體晶粒越細(xì)，韌性越好。

3)夾雜物、成分偏析、縮松缺陷等對(duì)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(qiáng)度明顯高于其他兩種鋼，韌性指標(biāo)相對(duì)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(jìn)一步提高高強(qiáng)鋼軌的韌性指標(biāo)。

5)建議強(qiáng)度等級(jí) 1 080 MPa 級(jí)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(qiáng)度與塑韌性匹配良好的貝氏體鋼軌的研發(fā)及應(yīng)用。