陸鑫 李大東 王若愚 鄧健

（攀鋼集團研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

自75 kg/m 高強度熱處理鋼軌大批量生產(chǎn)以來，其以優(yōu)越的綜合服役性能受到國內(nèi)外重載鐵路用戶的較高評價［1-5］。但其性能也存在不足之處，導致在實際應用中出現(xiàn)了接頭病害。國內(nèi)某廠生產(chǎn)的75 kg/m高強度熱處理鋼軌在一重載鐵路服役過程中，鋼軌閃光焊接頭處發(fā)生斷裂。為查明鋼軌出現(xiàn)接頭傷損的原因，避免類似事故再次發(fā)生，本文對接頭斷口進行了檢驗和分析。

1 接頭斷口理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

試樣為75 kg/m 高強度熱處理鋼軌閃光焊傷損接頭，接頭斷口的斷裂面位于軌底閃光焊縫處，并斜向軌頭母材擴展［6］。鋼軌生產(chǎn)日期、爐號和焊接日期不詳。圖1 為接頭斷口宏觀及局部放大形貌?？芍瑪嗫诤暧^顯示的河流花紋樣為斷裂源區(qū)，位于接頭左軌底角的黑色銹蝕氧化區(qū)，該區(qū)域長度約62 mm。局部放大該區(qū)域，肉眼可見呈圓弧狀的疲勞輝紋從軌底擴展至軌底與軌腰交界圓弧處發(fā)生瞬斷。軌底角處可見長約25 mm 的較為平整的光滑區(qū)域，疲勞擴展區(qū)長約37 mm。

圖1 接頭斷口宏觀及局部放大形貌

1.2 體視顯微鏡檢驗

采用LEICA M80 體視顯微鏡對軌底角黑色氧化區(qū)的宏觀形貌（見圖2）進行觀察。圖2（a）為放大7.5倍視場下的平滑區(qū)宏觀形貌；圖2（b）為放大20倍視場下的平滑區(qū)局部宏觀形貌；圖2（c）為放大7.5 倍視場下的平滑區(qū)與擴展區(qū)交界處宏觀形貌；圖2（d）為放大7.5 倍視場下的擴展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處宏觀形貌?？芍阂蜓趸瘒乐責o法觀察到軌底角平滑區(qū)金屬斷口特征；疲勞擴展區(qū)出現(xiàn)呈圓弧狀的疲勞輝紋，并從軌底角向軌底中心區(qū)擴展；疲勞輝紋擴展至軌底與軌腰交界圓弧處時接頭發(fā)生瞬斷，瞬斷區(qū)具有新鮮金屬斷口特征。

圖2 斷口體視顯微鏡檢驗宏觀形貌

體視顯微鏡觀察結(jié)果表明，閃光焊接頭的斷裂源區(qū)為軌底角處的平滑區(qū)。該區(qū)域表面平滑，氧化嚴重，說明該區(qū)域出現(xiàn)的時間較長，接頭軌底處的韌塑性較好，裂紋擴展速率緩慢。

1.3 掃描電鏡檢驗

采用電火花線切割長度約為65 mm 的軌底角斷裂源黑色氧化區(qū)試樣，用丙酮浸泡并用超聲波震蕩清洗后，采用2%的鹽酸（HCl）水溶液清洗斷口表面的銹蝕氧化物，再用丙酮清洗后烘干，制備成電鏡觀察試樣。采用JSM-5600LV 電子顯微鏡觀察軌底角斷裂源試樣表面微觀形貌，掃描電鏡檢驗結(jié)果見圖3。

圖3 掃描電鏡斷口形貌

圖3 表明：接頭斷裂是在循環(huán)荷載作用下的疲勞斷裂，軌底角嚴重氧化的黑色區(qū)域是裂紋源區(qū)；斷口軌底角平滑區(qū)因氧化嚴重無金屬斷口特征，表面微觀形貌呈凹凸起伏狀；疲勞擴展區(qū)為呈圓弧狀的疲勞輝紋特征；瞬斷區(qū)具有金屬解理斷口特征。雖已采用2%稀鹽酸水溶液對試樣進行了去銹蝕氧化物清洗，但斷口表面氧化物依然嚴重，在平滑區(qū)和疲勞擴展區(qū)均可見膜狀氧化物覆蓋，而在瞬斷區(qū)可見球狀的氧化物，無法觀察和分辨斷口是否存在氧化物夾雜。

1.4 金相檢驗

為確認軌底角平滑區(qū)是否存在異常組織并觀察接頭流線升角，采用電火花線在距軌底角邊緣15.4 mm 處的平滑區(qū)切割制取金相試樣，并觀察切割面。試樣經(jīng)過磨制、拋光和腐蝕后在顯微鏡下進行觀察，金相檢驗結(jié)果見圖4。圖4（a）—圖4（d）分別為金相試樣上部、上中部、中下部及底部焊縫和斷口面顯微組織，從圖中觀察到的連續(xù)均勻的網(wǎng)狀先共析鐵素體（即脫碳層）表明該接頭經(jīng)歷了正常焊后熱處理。圖4（a）中能觀察到完整的脫碳層，出現(xiàn)的部分彎曲狀態(tài)是接頭在經(jīng)過推瘤后形成的流線彎曲狀態(tài)，圖4（b）中的脫碳層比較完整，圖4（c）中的脫碳層則較窄，而圖4（d）中未觀察到脫碳層，表明該斷口已穿過焊縫脫碳層。圖4（e）及圖4（f）為采用緩慢腐蝕方法得到的接頭流線形貌，經(jīng)測量該接頭流線升角達71.5°。

圖4 金相檢驗結(jié)果

由圖4 可知：斷口起裂于接頭焊縫邊緣一側(cè)的熱影響區(qū)，在循環(huán)荷載作用下沿焊縫向鋼軌心部擴展，并穿過焊縫脫碳層到達焊縫另一側(cè)的熱影響區(qū)，最終失穩(wěn)后斷裂。焊縫區(qū)組織為沿晶界的脫碳鐵素體，熱影響區(qū)組織為正常的珠光體片層結(jié)構，無異常組織。

2 原因分析

流線也稱為流紋，普遍存在于經(jīng)鍛造或軋制后的金屬中。在鋼軌軋制的過程中，鑄坯中的脆性雜質(zhì)或夾雜物（多為MnS 夾雜）被打碎，并沿鋼軌縱向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質(zhì)隨著軋制變形沿鋼軌縱向呈帶狀分布，在鋼軌縱斷面的宏觀試樣上呈一條條細線，通常也稱為“纖維組織”。流線的存在使鋼軌性能呈現(xiàn)異向性，即沿著流線方向（即鋼軌縱向）抗拉強度往往高于垂直于流線方向（即鋼軌法向）的抗拉強度。

在鋼軌閃光焊過程中，鋼軌中平行于鋼軌縱向分布的流線在頂鍛階段會隨著金屬的塑性變形而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)后的流線與平行于鋼軌縱向的流線間的夾角即為流線升角。文獻［7］表明：當頂鍛量較大時，帶狀組織流線轉(zhuǎn)角較大，嚴重時會與鋼軌縱向接近垂直，此時，流線層之間的夾雜物等缺陷面也會接近垂直于鋼軌縱向，加之焊接高溫進一步弱化層間強度，使得鋼軌焊接接頭整體強度下降。文獻［8］表明：閃光焊接后，在閃光焊接頭中存在焊接頂鍛的變形區(qū)域，金屬流線隨變形發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流線升角一般在40°～60°，MnS夾雜物也隨流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)變化。流線升角越大，表明焊接頂鍛力越大。過大的流線升角對接頭塑性有不利影響。也有部分學者建議最大流線升角一般不應超過80°，使液態(tài)金屬剛剛擠出接口時呈“第三唇”即可［9-13］。

采用體視顯微鏡和掃描電鏡對斷口瞬斷前所有區(qū)域的宏微觀形貌進行觀察后可知，斷口平滑區(qū)上存在明顯的疲勞輝紋，由此確定該75 kg/m 高強度熱處理鋼軌閃光焊接頭斷裂的原因為在循環(huán)載荷作用下的疲勞斷裂。目前線路廣泛使用的手推式超聲波探傷儀僅能檢查鋼軌踏面、軌腰至軌底中心區(qū)域，不能發(fā)現(xiàn)軌底角的傷損，該區(qū)域?qū)偬絺^(qū)。軌底角被扣件遮擋，只能采用人工手持探頭進行探傷，在正常的維修狀態(tài)下很難逐支對軌底角閃光焊接頭進行人工探傷。從軌底角出現(xiàn)裂紋源到瞬斷前的較長時間里，斷口長時間暴露在空氣中，導致表面氧化嚴重，無法確定疲勞源的具體位置。

通過對軌底角進行金相檢驗分析可知，平滑區(qū)斷口斜向貫穿脫碳鐵素體焊縫，表明該區(qū)域同樣經(jīng)歷了閃光焊接和焊后正火過程，但因頂鍛量過大，致使流線升角達到71.5°，有很大的幾率形成冷接頭，從而導致接頭性能惡化。軌底角焊縫在鋼軌服役過程中為應力最大部位，在車輪的循環(huán)載荷作用下軌底角處接頭沿流線逐漸開裂氧化，并以此為疲勞源向軌底中心區(qū)緩慢疲勞擴展，最后導致接頭瞬間脆性斷裂。

3 結(jié)論

國內(nèi)一重載鐵路服役過程中高強度熱處理鋼軌閃光焊接頭發(fā)生斷裂。采用體視顯微鏡、光學顯微鏡和掃描電鏡對斷口宏微觀形貌、金相組織等進行了檢驗分析。接頭斷裂原因如下：

1）接頭斷裂是在循環(huán)載荷作用下的疲勞斷裂，軌底角嚴重氧化的黑色區(qū)域是裂紋源區(qū)。

2）由于頂鍛量過大，焊接流線升角達到71.5°，在車輪的循環(huán)載荷作用下，接頭軌底角沿流線逐漸開裂氧化，并以此為疲勞源向軌底中心區(qū)緩慢疲勞擴展，是導致接頭最后瞬間脆性斷裂的主要原因。