U71Mn鋼軌閃光焊對接接頭斷裂原因分析

鐘英華

(成都鐵路局 工務處，四川 成都 610082)

U71Mn鋼軌閃光焊對接接頭斷裂原因分析

鐘英華

(成都鐵路局 工務處，四川 成都 610082)

隨著列車行車速度的提高，鋼軌的損壞由過去的磨損轉變為各種形式的疲勞損壞，而夾雜物往往被視為顯微裂紋的發源地，疲勞裂紋與夾雜物的存在關系密切。非金屬夾雜物降低了鋼軌的塑性、韌性和疲勞壽命。夾雜物對鋼軌疲勞性能影響的具體程度取決于一系列因素，如夾雜物的數量、顆粒大小、形態及分布等。應用肉眼觀察、光鏡、電鏡和能譜分析等方法從宏觀和微觀兩個方面分析成昆線閃光對焊U71Mn鋼軌斷件的斷裂原因。結果表明，本鋼軌斷件的破壞是由于疲勞裂紋擴展引起的橫向斷裂，即鋼軌核傷；而疲勞裂紋是由閃光焊后殘留在焊縫中的硅酸鹽非金屬夾雜物引起的。

U71Mn鋼軌；疲勞斷裂；硅酸鹽夾雜

0 前言

近年來，我國高速鐵路快速發展，特別是客專行車速度不斷提高。高速行車要求更高的線路安全可靠性，而線路的安全可靠性依賴于鋼軌的安全性。在傳統鐵路線上，磨損是鋼軌的主要損壞形式，因此，傳統鐵路主要強調鋼軌的耐磨性能。隨著鐵路向高速、重載方向發展，對軌道結構的強度提出了更高的要求，而鋼軌斷裂事故直接威脅著鐵路運輸安全。隨著行車速度的提高，鋼軌的損壞由過去的磨損轉變成各種形式的疲勞損壞，夾雜物往往被視為顯微裂紋的發源地，疲勞裂紋與夾雜物的存在有著密切關系。鋼軌閃光對接接頭是軌道結構中一個重要的環節，是輪軌接觸中的直接承重部分，承受列車荷載反復作用并將重量傳到軌枕和道碴，在鐵路運輸中起承上啟下的作用。在交變荷載的重復作用下，鋼軌接頭會因為疲勞而引起剝離、掉塊、核傷、孔裂、軌頭裂紋等疲勞損傷，嚴重影響行車安全[1]。

在此從宏觀和微觀的角度分析成昆線U71Mn鋼軌閃光對焊接頭斷件產生斷裂的原因。

1 宏觀觀察

鋼軌斷件宏觀斷口形貌如圖1所示。鋼軌疲勞斷裂就是在車輛通過時產生的交變載荷作用下鋼軌橫向折斷，斷口上有核狀的亮斑或暗斑，鐵路上統稱為“核傷”或分別稱之為“白核”和“黑核”[2]。從圖1a可以看出該鋼軌屬于橫向斷裂，斷裂區域位于焊縫區，從圖1b可看出該鋼軌斷裂面有核狀的亮斑，屬于典型的核傷斷裂。從斷口形貌來看，疲勞源區的光亮度最大，因為這里在整個裂紋亞穩擴展過程中斷面不斷摩擦擠壓，故光亮平滑，圖1b中箭頭所指即為疲勞源。核傷面積約占軌頭面積的4／5，核傷面可發現明顯的裂紋擴展貝殼狀條紋(或稱海灘波紋狀花樣)。這種貝狀紋是在疲勞前沿線間歇擴展的過程中，其頂端的應力或狀態發生變化時，在斷面上留下的塑性變形痕跡，貌似一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，其凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向[3]。每一條紋都是疲勞裂紋在一個給定時間的推進位置，這表明裂紋擴展速度較慢，材料韌性良好。同時還可以發現疲勞裂紋擴展區與外界相通，斷口表面受到空氣、水、油等介質的氧化或腐蝕，斷口顏色呈褐色。核傷面向下至軌底、向左和向右至側面手感有金屬毛刺、形貌平整且具有強烈的金屬光澤，斷口比疲勞區粗糙，同時還發現有放射狀人字紋，此區是裂紋最后失穩快速擴展所形成的斷口區域，為瞬斷區，是解理斷裂。呈現放射狀人字紋也顯示了該材料較好的韌性。

綜上所述，該斷口出現疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區三個明顯區域，可以判定這個斷口為疲勞斷口[4]。疲勞斷裂可以理解為裂紋萌生和擴展的過程，而斷口是裂紋所掃過的面積，斷裂是動態變化過程，斷口則是斷裂的靜態反映。

圖1 U71Mn鋼軌斷口宏觀照片

2 微觀觀察

圖2a為裂紋源處，從圖中可看到裂紋源處存在異常形貌和一些黑色小孔洞。圖2b為圖2a的放大圖，可以看到存在微裂紋，同時右邊形貌有水或油濺撒過的灰黑色痕跡，分析認為這些物質是疲勞裂紋擴展后進入斷口的。圖2c為圖2a異常形貌放大圖及異常形貌成分分析，并未發現異常成分。圖3為第二階段(疲勞裂紋擴展)的斷口特征，具有略呈彎曲且相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶，也叫疲勞輝紋，它是裂紋擴展時留下的微觀痕跡，每一條帶可以視作一次應力循環的擴展痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直，疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征[3]。

為了進一步探究該鋼軌斷件的原因，用線切割將失效件在裂紋啟裂源處切開，圖4為試樣切割位置，對試樣垂直于斷口面側(與斷面正交側)進行磨拋，用2%的硝酸酒精腐蝕。

從圖5a可知，在裂紋源處近表面區域存在著大量形狀不規則、有尖角的灰黑色夾雜缺陷。從腐蝕后的圖5b可知，該處金相組織主要為鐵素體+珠光體，且鐵素體呈網狀分布于晶界，這是表層脫碳的緣故。在閃光焊工藝中，特別是像U71Mn這種高碳鋼，在其閃光表面上的碳元素會因為過熱燒損而降低，這也是導致焊縫處硬度較低的原因之一；另外并未發現馬氏體等有害組織，判斷該處為焊縫組織[5]，這與前面宏觀觀察發現斷裂區域位于焊縫區一致。從圖5中很明顯看出夾雜缺陷位于焊縫處，鑲嵌于鐵素體與珠光體之間。為了弄清夾雜物的成分，對夾雜物進行了進一步的掃描電鏡和能譜分析。

用JSM-6490LV掃描電鏡觀察與斷面正交側磨拋面上的夾雜物。由圖6a可知，夾雜群分布在離斷口表面僅有47.50 μ m的距離之間。從圖6b中可以發現夾雜物十分不規則，存在尖銳棱角，在夾雜物尖端還有微裂紋，并向外擴展，箭頭所指的夾雜物本身就有一部分在斷面上，這進一步證實了前面夾雜物位于焊縫中的分析。對斷口中的夾雜物進行能譜分析，發現夾雜物含有Si、Al、O、Mn等元素，從圖6c的成分比例可以看出，w(Si)＝24.63%，w(O)＝ 27.97%，w(Mn)＝37.97%。對其他部位的夾雜物也進行能譜分析，由圖6d可以看到，w(Si)＝25.56%，w(O)＝28.40%，w(Mn)＝36.12%。兩處夾雜物Si、Al、O、Mn元素含量基本一致，說明這些夾雜物為同一類物質，分析判斷這是以FeO-SiO2-MnO為主的復合硅酸鹽非金屬夾雜[6]。

圖2 斷口形貌及成分分析

圖3 疲勞輝紋

圖4 試樣線切割位置

圖5 與斷面正交側金相磨拋面上的夾雜物與金相組織

圖6 與斷面正交側磨拋面夾雜物SEM和EDS分析

3 分析

鐵路高速化后，鋼軌損壞形式由傳統的以磨損為主轉變為以疲勞損傷為主。文獻[2]指出，一般認為夾雜類型對疲勞性能影響大小順序依次為：氧化物(Al2O3、鈣-鋁酸鹽、硅酸鹽等)、氮化物、硫化物。夾雜物物理性能中影響材料疲勞性能最關鍵的因素之一是夾雜物的變形率，變形率低的夾雜物誘發鋼軌接頭疲勞裂紋的原因是它不能傳遞鋼軌基體中存在的應力。根據FeO-SiO2-MnO三元相圖，上述硅酸鹽夾雜物的熔點約在1 300℃～1 500℃，具有熔點高、硬度高的特點[6]。由于硅酸鹽夾雜物與鋼基體的熱膨脹系數不同而在夾雜物周圍基體中產生一種徑向的拉應力(鑲嵌應力)[7]，這種應力的出現和存在將幫助列車經過鋼軌時所施加的循環應力而促使疲勞裂紋優先在靠近硅酸鹽夾雜物的基體中形成。

夾雜物在鋼軌基體中所引起的應力集中程度與夾雜物的形狀關系密切[7]。當夾雜物以不利的形狀分布特征存在時，對材料的機械性能影響更為嚴重。夾雜物曲率半徑越小，引起的應力集中越嚴重。在交變應力作用下，裂紋優先在垂直于拉應力方向的夾雜物尖角處萌生，隨后在一定條件下加速擴展，加速了疲勞破壞過程。本試樣中的硅酸鹽夾雜物形狀不規則且多尖銳棱角，曲率半徑小，嚴重破壞了鋼軌接頭的組織連續性，造成了應力集中，成為了疲勞裂紋的啟裂源。

這種僅在焊縫及焊縫附近發現的群狀分布的硅酸鹽非金屬夾雜是在焊接過程中形成的，與焊接工藝有關[8]。這些夾雜物并非鋼材中固有夾雜物，焊縫中出現的硅酸鹽非金屬夾雜來源于焊縫的熔化和被氧化。閃光對焊時，接頭保護氣氛含有少量氧和大量CO和CO2。對于U71Mn鋼而言，按氧化順序，首先應形成SiO2，其次為MnO，最后是FeO。在閃光過程中，焊接接頭的少數部位搭橋、起弧形成弧坑，由于起弧電流較大，溫度高，熔化范圍較深，氧化更為嚴重。而在頂鍛時，由于弧坑周圍未熔化部分的約束，同時頂鍛力不足，使弧坑內被氧化的熔化金屬不能完全被擠出而殘留于焊縫中，形成夾雜物局部成群聚集。當焊縫承受交變應力作用時，這些夾雜物容易引起應力集中，導致微裂紋的產生。此外，由于夾雜物與熔化金屬被氧化有關，所以夾雜物的成分和鋼材成分有一定聯系，鋼材的成分不同，夾雜物的成分也會發生改變。

4 結論

(1)該鋼軌閃光對焊接頭系疲勞裂紋擴展引起的斷裂，即鋼軌核傷。

(2)軌頭離踏面不遠的焊縫處最先形成疲勞裂紋，焊縫中形狀不規則的復合硅酸鹽非金屬氧化物夾雜是啟裂點。

鋼軌閃光對焊氧化物夾雜的產生原因較多，并且規律較難掌握，解決方法也不一樣。對于焊縫夾雜物的防止措施可以從幾個方面考慮：

a.注意鋼軌的化學成分，Si含量應在標準要求的范圍內，含量不應超標或分布不均勻；b.注意改進焊接工藝，嚴格控制閃光對焊過程，鋼軌端面加熱要均勻，升溫速度不宜太快，保證頂鍛位移量和壓力。c.對每一個鋼軌焊接接頭進行超聲波探傷，確保鐵路安全運行。

[1]劉珍童.重軌鋼(U71Mn)夾雜物行為研究[D].沈陽：東北大學，2008.

[2]鋼鐵研究所金屬物理室.鋼軌疲勞斷口分析[J].鞍鋼技術，1978(3)：20-36.

[3]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]孫 智，江 利，應鵬展.失效分析-基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]丁成鋼.鋼軌閃光對焊接頭斷裂的組織研究[J].大連鐵道學院學報，1999，20(4)：73-76.

[6]王世亮.閃光對焊中“灰斑”缺陷的電子顯微研究[J].電子顯微學報，1984(4)：87.

[7]惠衛軍，董 瀚，陳思聯.非金屬夾雜物和表面狀態對高強度彈簧鋼疲勞性能的影響[J].特殊鋼，1998，19(6)：8-10.

[8]鄭恩貴，田繼豐.閃光焊灰斑的性質及其成因的研究[J].金屬學報，1987，23(1)：25-28.

Analysis of fracture of U71Mn rail welded butt jioints on flash welding

ZHONG Ying-hua
(Chengdu Public Works Department，Chengdu Railway Bureau，Chengdu 610082，China)

As the train speed increased，damage to rail is changed from wear to various forms of fatigue.Inclusions are often seen as the birthplace of micro cracks，fatigue cracks and inclusions have a close relationship.The inclusions can reduce the plasticity，toughness and fatigue life of the rail.The concrete influence intensity that the performance of the inclusion to rail are decided by a series of factors，such as quantity，particle magnitude，shape and distribution and so on.The fracture of U71Mn rail welded butt jioints was analyzed by visual observation，metallographic microscope，SEM and EDS from macro and micro.The results show that：the cracking of the rail is fatigue-crack propagation，fatigue cracking is caused by silicate-non-metallic inclusions which are residues in the weld after flash welding.

U71Mn rail；fatigue fracture；silicate inclusions

TG441.7

B

1001-2303(2011)12-0048-05

2011-06-17

鐘英華(1974—)，男，四川成都人，碩士，工程師，主要從事鋼軌的焊接及應用工作。