贝氏体钢轨铝热焊接头缺陷及原因分析-论文.pdf

2 0 1 4年第 1期 铁道建筑 ra i l wa y eng i n e e r i ng 1 1 7 文章 编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 1 7 0 4 贝 氏体 钢轨铝热焊接 头缺 陷及原 因分析 赵 国， 李 力， 丁 韦 ( 中国铁道科 学研究院 金属及化学研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 ： 对 一种 新 型的 贝 氏体钢 轨铝 热 焊接 头 进 行 疲 劳试 验 后 ， 在 轨 头部 位 熔 合 区 出现 大 面 积 的 沿 晶裂 纹。针对裂纹 出现的原因进行了扫描 电镜 、 电子探针等分析 ， 分析发现该 区域原奥氏体晶粒粗大且会发 生奥氏体向高碳马氏体转变， 导致不均匀应变， 最终在 外力作 用下， 形成沿晶断裂。虽然在熔合 区 出现 了脆性相 ， 但接 头的宏观力学性能仍能满足现行铁路标准的要求。特别是在 出现 了大面积裂纹后 ， 贝氏 体钢轨仍能通过疲劳实验 ， 而不 出现裂纹扩展断裂。这说明对贝氏体钢轨接头套用珠光体钢轨接 头标 准不 可取 ， 需作适 当调 整 。 关键词 ： 贝氏体钢轨 铝热焊接 缺陷分析 碳迁移 沿晶断裂 中图分 类 号 ： u 2 1 3 4文 献标 识 码 ： a d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 1 3 4 随着我国重载铁 路的飞速发展 ， 钢轨及其焊接接 头的伤损及磨耗 日益严重。以大秦重载铁路为例 ， 在 曲线半径 8 0 0 i n的地段 ， 钢轨上线 6 8个月 ， 曲线 上股侧磨就达到 了 1 71 9 mm， 不得不提前下 道。此 外 ， 在 2 0 0 3年至 2 0 0 7年大秦铁路运 量大提升 的五年 里 ， 钢轨核伤现象就 由 1 1 7处激增 至2 6 7 5 处。种种 现象表明， 传统珠光体钢轨的综合机械性能已经不能满 足重载铁路发展的需要。近年来 ， 新型贝氏体钢轨 因其 优异的综合力学性能 ， 引起了科研人员的广泛关注。研 发贝氏体钢轨成为重载铁路钢轨进一步发展的方向。 然而 ， 贝氏体钢轨作 为一种与传统珠光体钢轨组 织性能差别非常明显的钢轨， 其焊接性能还有待研究 。 如果不能解决贝氏体钢轨 的焊接问题 ， 贝氏体钢轨 在 重载线路的应用就会受到限制 。本文对送检的贝氏体 钢轨铝热焊接头进行 了检验 ， 并对检验 中出现的缺 陷 及原 因进行了分析， 以期推进贝氏体钢轨 的上道应用。 1 焊接用材料及成 分 试验研究 的焊接接头为贝氏体钢轨与 u 7 5 v珠光 体钢轨的异种钢焊接接头 ， 焊接用焊剂采用 u 7 5 v钢 轨用施密特焊剂。该贝氏体钢轨为新型空冷贝氏体钢 轨， 添加的合金元素有 s i ， mn ， c r ， n i ， mo等。其厂家 提供的力学性能见表 1 。 表 1 厂家提供 的贝 氏体钢轨 性能 2试验结 果与分析 主要参照铁道行业标 准 t b t 1 6 3 2 3 2 0 o 5对该 贝氏体钢轨铝热焊接头 的性能进行 了试验 ， 以验证 贝 氏体接头性能是否满足线上使用要求。焊接接头拉伸 试样直径为 1 0 mm， 标距 为 5 0 mm， 试验 结果见表 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 9 2 5 基金项 目： 铁道 部科 技研究 开发计 划项 目( 2 0 1 2 g 0 1 1 c) 作者简介 ： 赵 国( 1 9 8 8 一 )， 男 ， 湖北荆州人 ， 研究实习员 ， 硕士研究生 。 铝热焊冲击试验除按标 准取样外 ， 还在熔合区进 行了 冲击试验 ， 将 u型冲击缺 口置于熔合线上。结果见表 3 。疲劳试验 支距为 1 i n ， 载荷作用 于支距 中间焊缝 处。试验频率为 5 h z ， 力循环 系数 为 0 2 。试验结果 见表 4 。 由表 2表 4可知 ， 该贝氏体钢轨铝热焊接头 的 拉伸及疲劳性能符合铁路行业标准 ， 只有焊缝 冲击韧 性略低于规定 。如此看来 ， 试验用焊接接头 的性能基 本符合线上使用要求 。然而在利用疲劳试验后铝热焊 接头进行残余奥氏体稳定性分析时 ， 发现 3根接头 中 有 2根 轨头 部位 出现 了大 面积 裂 纹 。 l 2 0 铁道建筑 3 3电子 探 针分 析 电子探针分析的目的是了解和分析熔合 区组织出 现 差 异 性 的 原 因 。从 接 头 上 截 取 大 小 为 1 5 m m 1 0 m m1 0 mm的长方形试样 ， 利用 j x a - 8 1 0 0电子探 针微量分析仪沿钢轨横向进行线扫描。分析元素包括 c， a 1 ， m n ， n i ， s i ， c r ， mo等 ， 结果见 图5 。 图 5 电子探针 线扫描结果 在图 5中， 左侧为母材热影 响区， 中部约 6 mm处 为熔合线 ， 右侧为铝热焊焊缝区。由图 5可知， 两侧元 素含量有 明显 的差 异 ， 分布也 出现几种不 同的情况。 首先 ， c元素含量在图中 57 mm处呈现 明显的坡形 过渡区， 两侧含量 差别明显。其次 ， mn ， n i ， c r ， mo等 元素含量在熔合线附近出现明显的跳跃或者说过渡区 域极 窄 。 而 a l ， s i 则 未发 现 明显 差异 。 3 4综 合分 析 综合 试 验分 析结 果 ， 得到 接头 简化 示 意 图 见 图 6 。 由图 6可知 ， 在熔合区左侧的起裂 区合金元素含量基 本保持不变 ， 碳元 素含量逐渐升高。因贝氏体长大速 度是受碳扩散控制的， 随着原奥氏体中碳含量的增加 ， 获得 贝氏体铁素体晶核的几率下降 ， 贝氏体铁素体长 大时需扩散的原子量增加 ， 贝氏体转变也减慢 ， c曲线 右移。也就是说 ， 熔合 区左侧在原有的冷却 速度下无 法获得正常贝氏体组织 ， 会出现图 4 ( a ) 中亮色的高碳 马氏体和下贝氏体混合组织。高碳马氏体的出现必然 会在该 区域形成微裂纹 ， 最终促进宏观裂纹的产生 。 粗大奥氏体晶粒转变为马氏体 时， 以晶粒 为体积 膨胀单元 ， 必产生不均匀应变， 在晶界 区形成显微局部 应力 ， 直至应力集中， 削弱晶界结合 ， 有 时出现晶界微 裂 缝 ， 在 淬火 第 一 类 应 力 ( 或 外 力 ) 作 用 下 ， 造 成 沿 原 奥 氏体晶界扩展的沿晶断裂 。 金相 照片 中熔 合区 深色 组织 ： 一 i i 金相照片 中出现 熔合区 熔 合 线 茹 芬 镁 菜 磺 图 6 接头 简化示 意 通过扫描电镜分析断 口形貌 ， 排除了晶界析出物 ； 通过能谱分析 晶界 ， 排除 了 p ， s ， a s等杂质元素在 晶 界富集 ， 因此 ， 可以认 定出现沿 晶断裂 的原 因是 ： 熔合 区受过热影 响， 原奥 氏体 晶粒严重粗大 ， 随后起裂区在 空冷条件下产生淬火 高碳马氏体 ， 在外力 的作用下， 造 成 沿 晶断 裂 。 4 结 论 1 ) 采用珠光体焊剂焊接贝氏体钢轨时 ， 在熔合线 附近会出现一个过渡区 ， 该过渡区宽度在 1 mm左 右。 在正常冷却速度下该 区域会 出现部分 高碳马 氏体 组 织 ， 导致焊接冷裂纹。裂纹走向垂直于熔合线 ， 与焊接 接头热影响区中偏析带走向一致。 2 ) 断口呈现沿 晶形貌的原 因是 ： 该 区域原奥 氏体 晶粒粗大且会发生奥 氏体 向高碳马氏体转 变， 导致不 均匀应变， 最终在外力作用下 ， 形成沿晶断裂。 3 ) 虽然在熔合 区出现 了脆性相 ， 但接头 的宏观力 学性能仍能满足现行铁路标准的要求 。特别是在出现 了大面积裂纹后 ， 贝氏体钢轨仍 能通过疲劳试验 ， 而不 出现裂纹扩展断裂。这说 明对贝氏体钢轨接头套用珠 光体钢轨接头标准不可取 ， 需做适 当调整。 4 ) 建议采用贝氏体焊剂进行贝氏体钢 的焊接 ， 在 无 法避 免异 种 钢焊 接 的 情 况下 ， 建 议 采 取 一定 的缓 冷 措施 ， 以避免产生高碳马氏体 。 参 考 文 献 1 王金虎 大 秦线 运量逐 年递增 情况 下 的钢 轨伤 损分析 及对 策 j 铁 道建筑 ， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 9 8 1 0 0 2 李力 珠光体钢 轨 ( u 7 5 v) 与 贝 氏体 钢轨 ( c b 1 5 ) 铝 热焊 焊 接性研究 r 北京 ： 中国铁道科学 研究 院金属及