蔣文娟，王文健，丁昊昊，郭 俊，劉啟躍

(1.西南交通大學(xué)，牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都 610031;2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，德陽 618000)

0 引 言

無縫線路是指通過焊接技術(shù)將25 m標(biāo)準(zhǔn)長度鋼軌連接成的長鋼軌線路[1]，與通過螺栓連接鋼軌的線路相比，無縫線路不存在軌縫，能最大限度地保持線路的連續(xù)性和整體性，大大改善接頭區(qū)域的輪軌相互作用，從而保證列車的良好運(yùn)行[2]。然而，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)焊接接頭部位是鋼軌軌道薄弱環(huán)節(jié)[3]，其損傷在無縫線路損傷中占較大比例[4-5]。陳明鳴等[6]對成昆線氣壓焊和閃光焊接頭處的斷裂鋼軌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼軌均發(fā)生疲勞斷裂，裂紋源位于焊瘤趾部或焊瘤內(nèi)部靠近軌腰表面處。王瑩瑩[7]研究了閃光焊灰斑形成機(jī)理以及軌底次表面微裂紋缺陷的形成原因和形成過程。KIM等[8]利用有限元方法分析得到，鋼軌焊接接頭中母材和熔合線處的強(qiáng)度是影響鋼軌斷裂形式的主要因素。鋼軌焊接接頭質(zhì)量影響線路的平順性，接頭處的不平順導(dǎo)致接頭熔合線處的沖擊載荷升高，從而進(jìn)一步加速裂紋擴(kuò)展[9-11]。已有研究表明，焊接接頭的不均勻損傷會加速鋼軌焊接接頭的裂紋擴(kuò)展和斷裂，但是對接頭，特別是氣壓焊接頭不均勻損傷行為以及機(jī)理的研究還鮮有報道。因此，作者以服役后的U71Mn鋼軌氣壓焊接頭為研究對象，通過硬度測試、裂紋形貌及微觀組織觀察等方法，分析了氣壓焊接頭的損傷行為和機(jī)理，以期為焊接接頭的維護(hù)及鋼軌氣壓焊接工藝的改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為北京地鐵服役后的U71Mn鋼軌氣壓焊接頭。母材U71Mn鋼的化學(xué)成分見表1，抗拉強(qiáng)度不低于880 MPa，屈服強(qiáng)度不低于457 MPa，硬度為291 HV。

表1 U71Mn鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 鋼軌接頭表面輪廓分析位置示意

利用著色探傷法對服役后的鋼軌接頭(包括熔合線及熱影響區(qū))及部分母材表面進(jìn)行無損檢測。采用JB-6C型表面輪廓儀，并以原鋼軌表面為基準(zhǔn)面，對距鋼軌內(nèi)側(cè)8，20，35 mm處鋼軌表面輪廓進(jìn)行分析，具體分析位置如圖1所示。在距鋼軌內(nèi)側(cè)8，20，35 mm處沿接頭縱向切開后，經(jīng)粗磨、精磨、拋光后，用BX60M型光學(xué)顯微鏡觀察裂紋形貌，然后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在QUANTA200 FEI型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察顯微組織及裂紋擴(kuò)展形貌；采用MVK-H21型維氏硬度計在鋼軌縱向剖面距表面1.5 mm處，從接頭中心向兩側(cè)每隔2 mm取點(diǎn)測硬度，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面輪廓

由圖2可以看出：服役接頭表面存在裂紋，且主要集中在軌角區(qū)域；接頭表面不平整，存在明顯低凹區(qū)域。由圖3可以看出：接頭中心及兩側(cè)距接頭中心30～50 mm處存在低凹區(qū)域，說明接頭輪軌接觸區(qū)域表面是不平整的，且由于接觸情況不同，表面低凹的程度也不同。

圖2 著色探傷后服役鋼軌接頭的表面形貌

圖3 服役鋼軌接頭不同位置的縱向輪廓

2.2 硬度及組織

圖4 服役鋼軌接頭不同位置的縱向硬度分布

由圖4可以看出：服役接頭不同位置的縱向硬度分布不均勻，在接頭中心兩側(cè)存在軟化區(qū)，其硬度比母材的低約90%，這與接頭輪廓曲線低凹位置吻合；距鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處的截面硬度最高，距鋼軌內(nèi)側(cè)20 mm處的次之，距鋼軌內(nèi)側(cè)35 mm處的最低。在輪軌接觸的循環(huán)作用下，服役鋼軌接頭表面硬度發(fā)生變化，輪軌接觸循環(huán)作用越劇烈的位置，其表面硬化程度越大。未服役鋼軌氣壓焊接頭中心兩側(cè)也存在軟化區(qū)[12]，軟化區(qū)并未隨著鋼軌的接觸硬化而消失，軟化區(qū)的硬度同樣隨著輪軌接觸循環(huán)作用的增強(qiáng)而升高，但仍然低于母材的硬度。

由圖5可知，服役接頭由熱影響區(qū)、熔合線和母材組成。由圖6可知：處于熔合線及緊鄰熔合線的區(qū)域1組織為層片狀珠光體，但是層片厚度、長度都不均勻；處于熱影響區(qū)的區(qū)域2組織由層片狀珠光體和粒狀珠光體組成，滲碳體部分球化為顆粒狀，少量鐵素體分布在珠光體晶團(tuán)邊界；處于熱影響區(qū)的區(qū)域3位于硬度最低的位置，即軟化區(qū)位置，該區(qū)域組織為粒狀珠光體，其滲碳體完全球化為顆粒狀；處于熱影響區(qū)的區(qū)域4組織為層片狀珠光體和粒狀珠光體共存，滲碳體呈層片狀與顆粒狀，而且滲碳體片的長度不一，與區(qū)域2相比，該區(qū)域滲碳體的層片厚度和層間距均較大；母材組織為層片狀珠光體，與熔合線處相比，其滲碳體的層片厚度和層間距更均勻。根據(jù)珠光體形態(tài)，從熔合線至兩側(cè)熱影響區(qū)可依次分為層片狀珠光體區(qū)域、部分珠光體球化區(qū)I、珠光體球化區(qū)、部分珠光體球化區(qū)II。從熔合線至母材區(qū)，組織由層片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w再轉(zhuǎn)變?yōu)閷悠瑺钪楣怏w，珠光體中的滲碳體片層尺寸逐漸變小直至完全球化，然后又變大直至變成均勻的滲碳體片。

圖5 服役鋼軌接頭縱剖面的宏觀形貌(距鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm)

圖6 服役鋼軌接頭縱剖面不同區(qū)域(如圖5所示)的SEM形貌(距鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm)

2.3 損傷行為

由圖7可以看出：距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處，接頭區(qū)域1的裂紋以與表面成5°～10°的方向(裂紋起始角5°～10°)從表面萌生，并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋尖端的擴(kuò)展方向與表面成35°～39°，即裂紋尖端擴(kuò)展角為35°～39°，裂紋擴(kuò)展的最大深度約為251 μm，存在二次分枝裂紋；區(qū)域2的裂紋間距較大，裂紋起始角為11°～14°，裂紋尖端最大擴(kuò)展角為35°，裂紋擴(kuò)展最大深度約310 μm，其中裂紋a比較平滑，裂紋b上出現(xiàn)很多細(xì)小的分枝裂紋，這些分枝裂紋的擴(kuò)展方向比較隨機(jī)；在區(qū)域3中，裂紋從表面或次表面萌生，單位長度內(nèi)裂紋的密度最大，裂紋擴(kuò)展較平緩，但是在主裂紋上存在二次裂紋，最大擴(kuò)展角度達(dá)到45°；區(qū)域4的裂紋從表面萌生，并以較小的角度平緩擴(kuò)展，擴(kuò)展的最大深度約為354 μm，最大長度可達(dá)1 583 μm，同時表面還存在壓潰和大塊金屬脫落的現(xiàn)象；母材區(qū)的裂紋上存在很多細(xì)小的平行于表面的分枝裂紋，主裂紋間距較大，裂紋呈多層臺階狀擴(kuò)展，裂紋尖端的最大擴(kuò)展角為18°。由圖8可知：距服役鋼軌內(nèi)側(cè)35 mm處，接頭表面(區(qū)域1)存在很多從表面或者次表面萌生的裂紋，表面金屬有脫落趨勢，且接頭其他區(qū)域也觀察到相似的輕微損傷現(xiàn)象。在輪軌滾動接觸時，輪軌表面的摩擦力導(dǎo)致鋼軌表層形成塑性流變層[13]，鋼軌表面裂紋形成后沿著塑性流變的方向擴(kuò)展。

圖7 距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處接頭不同位置縱剖面裂紋形貌

圖8 距服役鋼軌內(nèi)側(cè)35 mm處接頭區(qū)域1縱剖面裂紋形貌

由圖9可以看出：距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處接頭區(qū)域1的裂紋起始角最小，裂紋擴(kuò)展角小于接頭其他區(qū)域的，但大于母材的；區(qū)域2的裂紋起始角與母材的大致相同，但裂紋擴(kuò)展角大于母材的；區(qū)域3的裂紋起始角較小，但裂紋擴(kuò)展角與區(qū)域4的相同，均大于其他區(qū)域與母材的，而區(qū)域4的裂紋起始角度也最大；母材的裂紋擴(kuò)展角最小。由圖10可知，區(qū)域1的裂紋深度最小，母材的平均裂紋深度最大，但是其最大裂紋深度小于區(qū)域2，3，4的。由此可知，區(qū)域3與區(qū)域4中裂紋主要以較大的角度擴(kuò)展，而母材區(qū)中的裂紋更傾向于平穩(wěn)擴(kuò)展。

圖9 距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處接頭不同區(qū)域縱剖面的裂紋起始角和裂紋尖端擴(kuò)展角

圖10 距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處接頭不同區(qū)域縱剖面的裂紋深度

由圖11可以看出：在層片狀珠光體區(qū)域，裂紋優(yōu)先在滲碳體層片間形成并擴(kuò)展，滲碳體片約束裂紋的擴(kuò)展方向，但是當(dāng)應(yīng)力超過滲碳體片的強(qiáng)度時，滲碳體片斷裂，從而形成穿晶裂紋；在短小層片狀珠光體區(qū)域，裂紋繞開滲碳體片在鐵素體上擴(kuò)展；在粒狀珠光體區(qū)域，裂紋的擴(kuò)展更加容易，由于鐵素體的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于滲碳體，當(dāng)裂紋形成后，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋尖端的鐵素體內(nèi)形成空洞，空洞擴(kuò)展后與裂紋連接，同時由于粒狀滲碳體不易斷裂，因此裂紋直接繞過滲碳體擴(kuò)展而呈波浪形，而非平滑曲線或鋸齒形。焊接接頭中珠光體球化區(qū)及其兩側(cè)部分球化區(qū)中滲碳體為顆粒狀或短小的層片狀，裂紋較容易向內(nèi)部擴(kuò)展。

氣壓焊接頭表面磨損不均勻，接頭兩側(cè)距中心30～50 mm處低凹區(qū)域的存在與接頭硬度分布有關(guān)，低凹區(qū)域?qū)?yīng)位置處的硬度低于母材的。輪軌接觸導(dǎo)致鋼軌表面硬化，但硬化并不能消除軟化區(qū)。焊接接頭表面硬度分布不均勻與接頭組織有關(guān)，軟化區(qū)為粒狀珠光體，而軟化區(qū)兩側(cè)為粒狀珠光體和層片狀珠光體的混合組織。組織的差異導(dǎo)致鋼軌表面損傷程度的不同，以及裂紋起始角、裂紋尖端擴(kuò)展角、裂紋深度的不同，這主要與不同形貌珠光體組織中裂紋的擴(kuò)展形式有關(guān)。在接頭軟化區(qū)，裂紋向鋼軌內(nèi)部擴(kuò)展傾向更大。

圖11 距服役鋼軌內(nèi)側(cè)8 mm處接頭縱剖面不同形態(tài)珠光體中裂紋尖端的SEM形貌

3 結(jié) 論

(1) 服役鋼軌氣壓焊接頭表面不平整，在接頭兩側(cè)距中心30～50 mm處存在低凹區(qū)域，與接頭軟化區(qū)的位置吻合。輪軌接觸使接頭硬度提高，但是軟化區(qū)的硬度始終低于母材的。

(2) 從接頭中心至母材，組織依次為層片狀珠光體(熔合線及緊鄰熔合線區(qū)域)、層片狀珠光體和粒狀珠光體共混、粒狀珠光體、層片狀珠光體和粒狀珠光體共混、層片狀珠光體(母材)；根據(jù)珠光體形態(tài)，熱影響區(qū)可分為部分珠光體球化區(qū)I、珠光體球化區(qū)和部分球光體球化區(qū)II；軟化區(qū)位于珠光體球化區(qū)。

(3) 珠光體球化區(qū)的裂紋分布密度最大，珠光體球化區(qū)和部分珠光體球化區(qū)的裂紋擴(kuò)展深度及裂紋尖端擴(kuò)展角都較大，這是由于粒狀珠光體對裂紋擴(kuò)展的阻力較小導(dǎo)致的。