趙 國(guó)，李 力，丁 韋

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

貝氏體鋼軌鋁熱焊接頭缺陷及原因分析

趙 國(guó)，李 力，丁 韋

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

對(duì)一種新型的貝氏體鋼軌鋁熱焊接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后，在軌頭部位熔合區(qū)出現(xiàn)大面積的沿晶裂紋。針對(duì)裂紋出現(xiàn)的原因進(jìn)行了掃描電鏡、電子探針等分析，分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)域原奧氏體晶粒粗大且會(huì)發(fā)生奧氏體向高碳馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致不均勻應(yīng)變，最終在外力作用下，形成沿晶斷裂。雖然在熔合區(qū)出現(xiàn)了脆性相，但接頭的宏觀力學(xué)性能仍能滿足現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)的要求。特別是在出現(xiàn)了大面積裂紋后，貝氏體鋼軌仍能通過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)，而不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展斷裂。這說(shuō)明對(duì)貝氏體鋼軌接頭套用珠光體鋼軌接頭標(biāo)準(zhǔn)不可取，需作適當(dāng)調(diào)整。

貝氏體鋼軌 鋁熱焊接 缺陷分析 碳遷移 沿晶斷裂

隨著我國(guó)重載鐵路的飛速發(fā)展，鋼軌及其焊接接頭的傷損及磨耗日益嚴(yán)重。以大秦重載鐵路為例，在曲線半徑＜800 m的地段，鋼軌上線6～8個(gè)月，曲線上股側(cè)磨就達(dá)到了17～19 mm，不得不提前下道。此外，在2003年至2007年大秦鐵路運(yùn)量大提升的五年里，鋼軌核傷現(xiàn)象就由117處激增至2 675處［1］。種種現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)珠光體鋼軌的綜合機(jī)械性能已經(jīng)不能滿足重載鐵路發(fā)展的需要。近年來(lái)，新型貝氏體鋼軌因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。研發(fā)貝氏體鋼軌成為重載鐵路鋼軌進(jìn)一步發(fā)展的方向。

然而，貝氏體鋼軌作為一種與傳統(tǒng)珠光體鋼軌組織性能差別非常明顯的鋼軌，其焊接性能還有待研究。如果不能解決貝氏體鋼軌的焊接問(wèn)題，貝氏體鋼軌在重載線路的應(yīng)用就會(huì)受到限制。本文對(duì)送檢的貝氏體鋼軌鋁熱焊接頭進(jìn)行了檢驗(yàn)，并對(duì)檢驗(yàn)中出現(xiàn)的缺陷及原因進(jìn)行了分析，以期推進(jìn)貝氏體鋼軌的上道應(yīng)用。

1 焊接用材料及成分

試驗(yàn)研究的焊接接頭為貝氏體鋼軌與U75V珠光體鋼軌的異種鋼焊接接頭，焊接用焊劑采用U75V鋼軌用施密特焊劑。該貝氏體鋼軌為新型空冷貝氏體鋼軌，添加的合金元素有 Si，Mn，Cr，Ni，Mo 等。其廠家提供的力學(xué)性能見(jiàn)表1［2］。

表1 廠家提供的貝氏體鋼軌性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

主要參照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1632.3—2005對(duì)該貝氏體鋼軌鋁熱焊接頭的性能進(jìn)行了試驗(yàn)，以驗(yàn)證貝氏體接頭性能是否滿足線上使用要求。焊接接頭拉伸試樣直徑為10 mm，標(biāo)距為50 mm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。鋁熱焊沖擊試驗(yàn)除按標(biāo)準(zhǔn)取樣外，還在熔合區(qū)進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，將U型沖擊缺口置于熔合線上。結(jié)果見(jiàn)表3。疲勞試驗(yàn)支距為1 m，載荷作用于支距中間焊縫處。試驗(yàn)頻率為5 Hz，力循環(huán)系數(shù)為0.2。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 4［3］。

由表2～表4可知，該貝氏體鋼軌鋁熱焊接頭的拉伸及疲勞性能符合鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有焊縫沖擊韌性略低于規(guī)定。如此看來(lái)，試驗(yàn)用焊接接頭的性能基本符合線上使用要求。然而在利用疲勞試驗(yàn)后鋁熱焊接頭進(jìn)行殘余奧氏體穩(wěn)定性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)3根接頭中有2根軌頭部位出現(xiàn)了大面積裂紋。

表2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將其中1根鋼軌裂紋進(jìn)行還原分析，裂紋大小及部位示意如圖1，起裂部位正好位于熔合線附近，裂紋主要向著焊縫側(cè)擴(kuò)展。裂紋起裂部位見(jiàn)圖2。

從截取的試樣上可以看到，裂紋走向垂直于熔合線方向。為了解裂紋起裂原因，對(duì)截取下來(lái)的試樣的斷面進(jìn)行掃描電鏡分析，裂紋源掃描照片見(jiàn)圖3。

圖3顯示，在試樣中部出現(xiàn)了典型的冰糖狀沿晶開(kāi)裂，冰糖狀區(qū)域正好處于熔合線靠近貝氏體母材的一側(cè)。

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

觀察掃描電鏡照片可以看出，沿晶起裂區(qū)的晶粒棱角十分明顯，通過(guò)該區(qū)域的形貌特點(diǎn)可以肯定該裂紋屬于典型的焊接冷裂紋。焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因一般為晶界上有脆性沉淀相或晶界上雜質(zhì)元素富集。通過(guò)掃描電鏡連續(xù)仔細(xì)觀察，晶界面光滑平整，基本無(wú)塑性變形痕跡，未發(fā)現(xiàn)析出物，可以排除析出物導(dǎo)致沿晶斷裂。下面通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生的原因。

3.1 斷口能譜分析

為了了解裂紋出現(xiàn)的原因，對(duì)起裂區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，在沿晶起裂區(qū)未發(fā)現(xiàn)使晶界弱化的元素偏析，如P，S等常見(jiàn)弱化晶界元素。對(duì)比不同區(qū)域能譜結(jié)果，只有C元素與Ni元素的含量有明顯不同?？梢?jiàn)，沿晶裂紋產(chǎn)生的原因與雜質(zhì)元素的富集無(wú)關(guān)。

表5 掃描電鏡能譜分析數(shù)據(jù)對(duì)比 %

3.2 金相及顯微硬度分析

在接頭上取得試樣，得到鋼軌母材熱影響區(qū)、熔合區(qū)及母材的典型金相照片，如圖4。從圖4可以看出，母材熱影響區(qū)由于受到焊接熱循環(huán)的影響呈現(xiàn)出明顯的條帶狀組織，存在較為明顯的偏析和組織粗化現(xiàn)象，使母材熱影響區(qū)的機(jī)械性能嚴(yán)重惡化。熔合區(qū)呈現(xiàn)明顯的過(guò)渡，可以分為兩層組織：靠近焊縫區(qū)的深色組織和母材區(qū)的亮色組織。這兩層組織金相差異明顯，其中亮色組織寬度略寬于深色組織，整個(gè)過(guò)渡區(qū)域約1 mm。熔合區(qū)寬度與沿晶裂紋寬度大致相符，且部位也一致。

為進(jìn)一步了解各區(qū)域的組織及性能，采用日本未來(lái)技術(shù)公司的FM-7顯微硬度儀對(duì)各區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)顯微硬度測(cè)試。每區(qū)域測(cè)試10個(gè)數(shù)據(jù)，三個(gè)區(qū)域的硬度值對(duì)比見(jiàn)表6。

從表6可知，焊接頭區(qū)域的顯微硬度具有明顯的差異，母材熱影響區(qū)和熔合區(qū)硬度值離散性都較大，且熔合區(qū)平均硬度很高。結(jié)合金相及硬度來(lái)看，熔合區(qū)組織中存在部分高碳馬氏體和下貝氏體組織。

表6 隨機(jī)顯微硬度 HV

3.3 電子探針?lè)治?/h3>

電子探針?lè)治龅哪康氖橇私夂头治鋈酆蠀^(qū)組織出現(xiàn)差異性的原因。從接頭上截取大小為15 mm×10 mm×10 mm的長(zhǎng)方形試樣，利用JXA-8100電子探針微量分析儀沿鋼軌橫向進(jìn)行線掃描。分析元素包括C，Al，Mn，Ni，Si，Cr，Mo 等，結(jié)果見(jiàn)圖 5。

在圖5中，左側(cè)為母材熱影響區(qū)，中部約6 mm處為熔合線，右側(cè)為鋁熱焊焊縫區(qū)。由圖5可知，兩側(cè)元素含量有明顯的差異，分布也出現(xiàn)幾種不同的情況。首先，C元素含量在圖中5～7 mm處呈現(xiàn)明顯的坡形過(guò)渡區(qū)，兩側(cè)含量差別明顯。其次，Mn，Ni，Cr，Mo等元素含量在熔合線附近出現(xiàn)明顯的跳躍或者說(shuō)過(guò)渡區(qū)域極窄。而Al，Si則未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

3.4 綜合分析

綜合試驗(yàn)分析結(jié)果，得到接頭簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖6。由圖6可知，在熔合區(qū)左側(cè)的起裂區(qū)合金元素含量基本保持不變，碳元素含量逐漸升高。因貝氏體長(zhǎng)大速度是受碳擴(kuò)散控制的，隨著原奧氏體中碳含量的增加，獲得貝氏體鐵素體晶核的幾率下降，貝氏體鐵素體長(zhǎng)大時(shí)需擴(kuò)散的原子量增加，貝氏體轉(zhuǎn)變也減慢，C曲線右移。也就是說(shuō)，熔合區(qū)左側(cè)在原有的冷卻速度下無(wú)法獲得正常貝氏體組織，會(huì)出現(xiàn)圖4(a)中亮色的高碳馬氏體和下貝氏體混合組織。高碳馬氏體的出現(xiàn)必然會(huì)在該區(qū)域形成微裂紋，最終促進(jìn)宏觀裂紋的產(chǎn)生。

粗大奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，以晶粒為體積膨脹單元，必產(chǎn)生不均勻應(yīng)變，在晶界區(qū)形成顯微局部應(yīng)力，直至應(yīng)力集中，削弱晶界結(jié)合，有時(shí)出現(xiàn)晶界微裂縫，在淬火第一類應(yīng)力(或外力)作用下，造成沿原奧氏體晶界擴(kuò)展的沿晶斷裂［4］。

通過(guò)掃描電鏡分析斷口形貌，排除了晶界析出物;通過(guò)能譜分析晶界，排除了P，S，As等雜質(zhì)元素在晶界富集，因此，可以認(rèn)定出現(xiàn)沿晶斷裂的原因是：熔合區(qū)受過(guò)熱影響，原奧氏體晶粒嚴(yán)重粗大，隨后起裂區(qū)在空冷條件下產(chǎn)生淬火高碳馬氏體，在外力的作用下，造成沿晶斷裂。

4 結(jié)論

1)采用珠光體焊劑焊接貝氏體鋼軌時(shí)，在熔合線附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過(guò)渡區(qū)，該過(guò)渡區(qū)寬度在1 mm左右。在正常冷卻速度下該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)部分高碳馬氏體組織，導(dǎo)致焊接冷裂紋。裂紋走向垂直于熔合線，與焊接接頭熱影響區(qū)中偏析帶走向一致。

2)斷口呈現(xiàn)沿晶形貌的原因是：該區(qū)域原奧氏體晶粒粗大且會(huì)發(fā)生奧氏體向高碳馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致不均勻應(yīng)變，最終在外力作用下，形成沿晶斷裂。

3)雖然在熔合區(qū)出現(xiàn)了脆性相，但接頭的宏觀力學(xué)性能仍能滿足現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)的要求。特別是在出現(xiàn)了大面積裂紋后，貝氏體鋼軌仍能通過(guò)疲勞試驗(yàn)，而不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展斷裂。這說(shuō)明對(duì)貝氏體鋼軌接頭套用珠光體鋼軌接頭標(biāo)準(zhǔn)不可取，需做適當(dāng)調(diào)整。

4)建議采用貝氏體焊劑進(jìn)行貝氏體鋼的焊接，在無(wú)法避免異種鋼焊接的情況下，建議采取一定的緩冷措施，以避免產(chǎn)生高碳馬氏體。

［1］王金虎．大秦線運(yùn)量逐年遞增情況下的鋼軌傷損分析及對(duì)策［J］．鐵道建筑，2008(10)：98-100．

［2］李力．珠光體鋼軌(U75V)與貝氏體鋼軌(CB15)鋁熱焊焊接性研究［R］．北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2009．

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T 1632.3—2005 鋼軌焊接第3部分：鋁熱焊接［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

［4］劉宗昌．淬火高碳馬氏體沿晶斷裂機(jī)制［J］．金屬學(xué)報(bào)，1989，25(4)：294-299．

U213．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．34

1003-1995(2014)01-0117-04

2013-06-20;

2013-09-25

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G011-C)

趙國(guó)(1988— )，男，湖北荊州人，研究實(shí)習(xí)員，碩士研究生。

(責(zé)任審編 葛全紅)