楊翰，戴虹，廖馬宏

摘要：針對高強(qiáng)耐磨鋼軌接頭軟化區(qū)如何在工地便捷準(zhǔn)確測定，以滿足TB/T1632 《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求的問題，采用里氏硬度計、細(xì)化測點間距的測試方法對60N U76CrRE鋼軌氣壓焊接頭硬度進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：接頭軌頂面軟化區(qū)硬度均值比標(biāo)準(zhǔn)檢測方法降低15 HB （5%）;接頭硬度均值降低18 HB（5%），軟化區(qū)寬度變寬0.5～1.2 mm（4%～9%）;接頭縱斷面軟化區(qū)硬度均值降低1.1 HRC（3%），接頭硬度均值降低1.3 HRC（3%），軟化區(qū)變寬1～1.5 mm（7%～10%）;細(xì)化測點間距法比標(biāo)準(zhǔn)方法更加準(zhǔn)確、便捷。

關(guān)鍵詞：鋼軌;焊接;軟化區(qū);硬度;測試方法

中圖分類號：TG806? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0075-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.14

0? ? 前言

隨著我國高速重載鐵路經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，無縫線路開始被大規(guī)模采用，鋼軌焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)整體的硬度水平?jīng)Q定著接頭服役的耐磨性及使用壽命，關(guān)系著線路運行的平順性和安全性，因此保證鋼軌接頭質(zhì)量至關(guān)重要。

鋼軌焊接接頭熱影響區(qū)中存在著軟化區(qū)[1-2]?，F(xiàn)行測定、統(tǒng)計軟化區(qū)必須符合TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)[3]，準(zhǔn)確性測定問題就顯得尤為重要，尤其是高強(qiáng)耐磨鋼軌這個問題更為突出[4]。TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以焊縫為中心兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)接頭軌頂面采用布氏硬度計，測試點間距為7.5 mm;縱斷面（接頭大板試樣）的測試線1上采用洛氏硬度計，測試點間距為5 mm。由于該種測試方法的點間距較大，會遺漏部分硬度值更低的軟點，導(dǎo)致測量的軟化區(qū)寬度和硬度值與真實的軟化區(qū)寬度和硬度值有較大差異，從而影響接頭軟化區(qū)性能評價的準(zhǔn)確性。為此，文中研究了一種可快速便捷、無損、準(zhǔn)確測定鋼軌接頭軌頂面及“ 細(xì)化測點間距 ”的測試方法，并分析所測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測定方法的差異，為現(xiàn)場無損評價接頭軟化區(qū)性能提供技術(shù)支持。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

試驗材料選擇60N U76CrRE熱處理鋼軌，其母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

1.2 焊接設(shè)備及工藝

采用GPW-12000型氣壓焊軌機(jī)進(jìn)行焊接，其工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 兩種硬度測試方法

（1）第一種測試方法為標(biāo)準(zhǔn)法。

按照TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求包含軌頂面硬度和縱斷面硬度，測試點選取如圖1所示。

測試之前將接頭測試面打磨拋光至表面光整，采用5%硝酸酒精浸蝕表面呈現(xiàn)顏色深淺不同的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)法（見圖1）標(biāo)注的熱影響區(qū)與母材交界線并不準(zhǔn)確，實際交界線在BC線位置處。

采用HB-3000型布氏硬度計測量軌頂面硬度，試驗條件為HBW10/3 000[6]。測試點見圖1a。計算時以AB與CD之間的硬度均值為母材硬度（Hp）;以BC之間的硬度均值為接頭硬度（Hj）;以BC之間低于0.9Hp的區(qū)域為軟點硬度均值（Hj1）;將所測得的數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)軸上繪制成硬度曲線散點圖，將硬度值低于0.9Hp的寬度作為軟化區(qū)寬度（w）。

采用HV-30型維氏硬度計測量縱斷面硬度，試驗力為294.2 N[7]。測試點見圖1b?？v斷面硬度測試取大板試樣，測點在大板試樣測試線1上選取。以焊縫為中心向左右兩側(cè)對稱分布，測點間距標(biāo)準(zhǔn)為5 mm。其母材硬度均值、接頭硬度均值、軟化區(qū)硬度均值、軟化區(qū)寬度均與軌頂面硬度計算方法相同。

（2）第二種測試方法為細(xì)化測點間距（增加數(shù)據(jù)樣本，減小測量誤差法）。采用便攜式里氏硬度計，在標(biāo)準(zhǔn)測法的基礎(chǔ)上細(xì)化軟化區(qū)及附近測試點選取距離，增加測試點數(shù)據(jù)樣本。接頭軌頂面硬度標(biāo)準(zhǔn)法測定點間距為7.5 mm，兩點之間可能會存在硬度值更低的區(qū)域，因此可能會使測得的軟化區(qū)硬度值偏高，軟化區(qū)寬度不真實準(zhǔn)確。由于里氏硬度計硬質(zhì)合金小球的直徑為1 mm，為便于細(xì)化后的點間距與標(biāo)準(zhǔn)點間距比較，將軟化區(qū)測點間距定為2.5 mm，同時在每個測試點位置測量5次（5次測量均在該點的豎向上移動1 mm），去掉最大值和最低值，求取平均值，以便降低測量誤差，最大程度地找出更多的軟化點，使結(jié)果更接近軌頂面硬度的真實情況，真實準(zhǔn)確地反映接頭熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)[8]。

同理，接頭縱斷面軟化區(qū)硬度測定也采用細(xì)化測量點間距?？v斷面硬度測量采用HVS-30數(shù)顯維氏硬度計，選取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm共5種間距測試點方式。這5種取點方式中，5 mm硬度檢測點間距的個數(shù)最少，1 mm硬度檢測點間距的個數(shù)最多。試驗點間距越小，越能準(zhǔn)確反映接頭硬度的真實情況，避免遺漏軟點，且不會增加檢測的操作難度。細(xì)化測點間距測試方法的硬度測試點分布如圖2所示，測試設(shè)備如圖3所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭熱影響區(qū)硬度和組織

鋼軌接頭熱影響區(qū)是指在焊接過程中由于焊接熱循環(huán)作用，母材的性能和組織發(fā)生改變形成的區(qū)域，由熔合區(qū)、過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）和不完全重結(jié)晶區(qū)組成。軟化區(qū)是熱影響區(qū)中硬度低于母材硬度90%的區(qū)域。鋼軌焊接接頭軌頂面熱影響區(qū)宏觀形貌如圖4所示。母材到焊縫的硬度分布及其對應(yīng)區(qū)域的顯微組織如圖5所示（電子顯微鏡放大倍數(shù)5 000倍），圖中所示為接頭動端部分，靜端變化趨勢以及顯微組織成分與動端相似。由圖5可知，母材到焊接熱影響區(qū)硬度先下降后上升，然后上升到硬度最高的接頭硬化區(qū)域，再到焊縫。

2.2 接頭硬度測試結(jié)果

由于鋼軌服役磨損主要發(fā)生在軌頂面，故文中主要分析軌頂面硬度規(guī)律，縱斷面硬度規(guī)律同理。對60N U76CrRE熱處理鋼軌進(jìn)行軌頂面硬度測試試驗，采用標(biāo)準(zhǔn)測試方法測得其硬度值如表3所示。

采用細(xì)化測點間距方法，以2.5 mm間距測試正火態(tài)的3個焊接接頭B0048、B0049、B0050的軌頂面硬度，其結(jié)果如表4所示。根據(jù)所測數(shù)據(jù)，繪制接頭軌頂面硬度曲線如圖6所示。

由表4和圖6可知，細(xì)化測試方法的接頭平均硬度和軟化區(qū)的平均硬度均不同程度下降。統(tǒng)計細(xì)化測試方法增加的硬度測試點數(shù)據(jù)并計算均值，記為Hz，與標(biāo)準(zhǔn)方法測得的軟點硬度均值Hj1進(jìn)行比較，如果細(xì)化點的均值大于標(biāo)準(zhǔn)方法測量的軟點均值，則認(rèn)為該處軟點的大致范圍在標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果之上，反之接頭軟化區(qū)均值的水平就要降低。接頭硬度真實值也要降低，細(xì)化軟點均值比如表5所示。

由表5可知，在B0048和B0050細(xì)化之后，細(xì)化測點法與標(biāo)準(zhǔn)方法所測得的平均軟點比值接近1，認(rèn)為B0048和B0050的硬度值更接近真實情況;B0049在增測點中出現(xiàn)了新的波動范圍較大的軟點值，此接頭的標(biāo)準(zhǔn)測量值可能與真實情況有一定差距，從圖6b可以清晰看到，細(xì)化硬度檢測點間距過后的軟點低值點較標(biāo)準(zhǔn)測試方法的更低，找出了可能遺漏的軟點，整個焊接接頭的硬度均值下降。

縱斷面硬度測試試驗和軌頂面硬度測試試驗原理大致相同。60N U76CrRE熱處理鋼軌取大板試樣進(jìn)行縱斷面硬度測試試驗。選擇軌頂面硬度細(xì)化測試數(shù)據(jù)波動范圍較大的B0049接頭進(jìn)行試驗。將接頭軟化區(qū)域選取細(xì)化至取1～5 mm間距硬度測試點。試驗結(jié)果如表6所示。由表6可知，縱斷面硬度規(guī)律與軌頂面硬度規(guī)律相似，測試點細(xì)化程度越高，接頭軟點的均值越低。根據(jù)細(xì)化法數(shù)據(jù)繪制硬度曲線分布如圖7所示。由圖7可知，測點間距越短，圖形越光滑，能表達(dá)的接頭情況越準(zhǔn)確，對于細(xì)化點間距找出的硬度過低的點（低于標(biāo)準(zhǔn)測量點），需重新評估接頭質(zhì)量。

2.3 軟化區(qū)測試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)中定義軟化區(qū)寬度w為硬度值低于母材硬度90%以下的區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測量的硬度點可能會遺漏部分硬度值低于母材90%的點，造成實際的硬度曲線比較陡，導(dǎo)致真實軟化區(qū)寬度不準(zhǔn)確。根據(jù)細(xì)化測點間距法測出接頭B0049～B0050軌頂面硬度值，作出硬度曲線，計算出各接頭軟化區(qū)寬度結(jié)果如表7所示。接頭B0049縱斷面細(xì)化軟化區(qū)數(shù)據(jù)如表8所示。

由表7、表8可知，采用細(xì)化法得到的軟化區(qū)寬度有不同程度的變寬，誤差值最高可達(dá)10.5%。因此，標(biāo)準(zhǔn)檢測方法對接頭熱影響區(qū)尤其是軟化區(qū)的測試結(jié)果較為粗放，精度不如細(xì)化測點間距測試法準(zhǔn)確度高。

3 結(jié)論

（1）鋼軌氣壓焊接頭的熱影響區(qū)中包含有硬化區(qū)和軟化區(qū)。采用里氏硬度計和細(xì)化測點間距檢測法，所獲得的軟化區(qū)軟點硬度數(shù)據(jù)樣本增多，其軟化區(qū)寬度、硬度平均值、最軟點硬度值與TB/T1632標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟化區(qū)檢測統(tǒng)計法數(shù)值相比較，結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（2）采用里氏硬度計、細(xì)化測點間距檢測法，所獲得的60N U76CrRE鋼軌氣壓焊接頭軌頂面軟化區(qū)硬度均值比標(biāo)準(zhǔn)檢測方法平均值降低15 HB（5%）;接頭硬度平均值降低18 HB（5%），軟化區(qū)寬度變寬0.5～1.2 mm（4%～9%）;縱斷面軟化區(qū)硬度平均值降低1.1 HRC （3%），接頭平均硬度值降低1.3 HRC（3%），軟化區(qū)變寬1～1.5 mm （7%～10%）。

（3）采用里氏硬度計、細(xì)化測點間距檢測法，能在工地?zé)o損準(zhǔn)確地測定鋼軌接頭軌頂面硬度，且快速便捷，建議納入標(biāo)準(zhǔn)推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李恒，黃智泉，張翅，等.低合金高強(qiáng)耐磨鋼焊接接頭軟化現(xiàn)象研究[J].熱加工工藝，2020，49（17）：19-23.

[2]崔冬芳，王艷華，胡智博，等.鋼軌移動閃光焊接接頭軟化問題的研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，37（12）：6-9.

[3]TB/T 1632.1-2014，鋼軌焊接[S].中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國家鐵路局，中國鐵道出版社出版，2014.

[4]王建. 鋼軌焊接接頭硬度檢驗標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，37（7）：4-6.

[5]張智，任新建，魏仁群，等. U76CrRE稀土鋼軌性能研究[J].稀土，2009，30（1）：62-66.

[6]GB/T 231.1-2009，金屬材料布氏硬度試驗[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布，2009.

[7]GB/T 4340.1-2009，金屬材料維氏硬度試驗[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布，2009.

[8]GB/T 17394.1-2014，金屬材料里氏硬度試驗[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布，2014.