高強(qiáng)度熱處理鋼軌閃光焊接頭斷裂原因分析

陸鑫 李大東 王若愚 鄧健

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

自75 kg/m 高強(qiáng)度熱處理鋼軌大批量生產(chǎn)以來(lái)，其以優(yōu)越的綜合服役性能受到國(guó)內(nèi)外重載鐵路用戶的較高評(píng)價(jià)［1-5］。但其性能也存在不足之處，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了接頭病害。國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的75 kg/m高強(qiáng)度熱處理鋼軌在一重載鐵路服役過(guò)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(duì)接頭斷口進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 接頭斷口理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

試樣為75 kg/m 高強(qiáng)度熱處理鋼軌閃光焊?jìng)麚p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(kuò)展［6］。鋼軌生產(chǎn)日期、爐號(hào)和焊接日期不詳。圖1 為接頭斷口宏觀及局部放大形貌。可知，斷口宏觀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(zhǎng)度約62 mm。局部放大該區(qū)域，肉眼可見(jiàn)呈圓弧狀的疲勞輝紋從軌底擴(kuò)展至軌底與軌腰交界圓弧處發(fā)生瞬斷。軌底角處可見(jiàn)長(zhǎng)約25 mm 的較為平整的光滑區(qū)域，疲勞擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)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(yàn)

采用LEICA M80 體視顯微鏡對(duì)軌底角黑色氧化區(qū)的宏觀形貌（見(jiàn)圖2）進(jìn)行觀察。圖2（a）為放大7.5倍視場(chǎng)下的平滑區(qū)宏觀形貌；圖2（b）為放大20倍視場(chǎng)下的平滑區(qū)局部宏觀形貌；圖2（c）為放大7.5 倍視場(chǎng)下的平滑區(qū)與擴(kuò)展區(qū)交界處宏觀形貌；圖2（d）為放大7.5 倍視場(chǎng)下的擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處宏觀形貌?？芍阂蜓趸瘒?yán)重?zé)o法觀察到軌底角平滑區(qū)金屬斷口特征；疲勞擴(kuò)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(kuò)展；疲勞輝紋擴(kuò)展至軌底與軌腰交界圓弧處時(shí)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(yàn)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(yán)重，說(shuō)明該區(qū)域出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，接頭軌底處的韌塑性較好，裂紋擴(kuò)展速率緩慢。

1.3 掃描電鏡檢驗(yàn)

采用電火花線切割長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(yán)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(yán)重?zé)o金屬斷口特征，表面微觀形貌呈凹凸起伏狀；疲勞擴(kuò)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(duì)試樣進(jìn)行了去銹蝕氧化物清洗，但斷口表面氧化物依然嚴(yán)重，在平滑區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)膜狀氧化物覆蓋，而在瞬斷區(qū)可見(jiàn)球狀的氧化物，無(wú)法觀察和分辨斷口是否存在氧化物夾雜。

1.4 金相檢驗(yàn)

為確認(rèn)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(guò)磨制、拋光和腐蝕后在顯微鏡下進(jìn)行觀察，金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(guò)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(guò)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(cè)量該接頭流線升角達(dá)71.5°。

圖4 金相檢驗(yàn)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(kuò)展，并穿過(guò)焊縫脫碳層到達(dá)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(gòu)，無(wú)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(guò)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(xì)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(qiáng)度往往高于垂直于流線方向（即鋼軌法向）的抗拉強(qiáng)度。

在鋼軌閃光焊過(guò)程中，鋼軌中平行于鋼軌縱向分布的流線在頂鍛階段會(huì)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(xiàn)［7］表明：當(dāng)頂鍛量較大時(shí)，帶狀組織流線轉(zhuǎn)角較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)與鋼軌縱向接近垂直，此時(shí)，流線層之間的夾雜物等缺陷面也會(huì)接近垂直于鋼軌縱向，加之焊接高溫進(jìn)一步弱化層間強(qiáng)度，使得鋼軌焊接接頭整體強(qiáng)度下降。文獻(xiàn)［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(guò)大的流線升角對(duì)接頭塑性有不利影響。也有部分學(xué)者建議最大流線升角一般不應(yīng)超過(guò)80°，使液態(tài)金屬剛剛擠出接口時(shí)呈“第三唇”即可［9-13］。

采用體視顯微鏡和掃描電鏡對(duì)斷口瞬斷前所有區(qū)域的宏微觀形貌進(jìn)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(qiáng)度熱處理鋼軌閃光焊接頭斷裂的原因?yàn)樵谘h(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(jìn)行探傷，在正常的維修狀態(tài)下很難逐支對(duì)軌底角閃光焊接頭進(jìn)行人工探傷。從軌底角出現(xiàn)裂紋源到瞬斷前的較長(zhǎng)時(shí)間里，斷口長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，導(dǎo)致表面氧化嚴(yán)重，無(wú)法確定疲勞源的具體位置。

通過(guò)對(duì)軌底角進(jìn)行金相檢驗(yàn)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(guò)程，但因頂鍛量過(guò)大，致使流線升角達(dá)到71.5°，有很大的幾率形成冷接頭，從而導(dǎo)致接頭性能惡化。軌底角焊縫在鋼軌服役過(guò)程中為應(yīng)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(kāi)裂氧化，并以此為疲勞源向軌底中心區(qū)緩慢疲勞擴(kuò)展，最后導(dǎo)致接頭瞬間脆性斷裂。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)一重載鐵路服役過(guò)程中高強(qiáng)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(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)斷口宏微觀形貌、金相組織等進(jìn)行了檢驗(yàn)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(yán)重氧化的黑色區(qū)域是裂紋源區(qū)。

2）由于頂鍛量過(guò)大，焊接流線升角達(dá)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(kāi)裂氧化，并以此為疲勞源向軌底中心區(qū)緩慢疲勞擴(kuò)展，是導(dǎo)致接頭最后瞬間脆性斷裂的主要原因。