国产60kg/m U71Mn和U75V钢轨冲击功统计分析

周剑华 李 闯 任安超 吉 玉 张银花 齐江华

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院条材产品研究所 武汉：430080；2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京：100081)

随着铁路朝高速、重载以及高密度运营方向发展，对钢轨的性能提出了更高的要求。为此国内外钢轨标准对钢轨质量进行了严格规定，在钢轨的尺寸精度、表面质量及内在性能(拉伸性能、延伸率、硬度、低倍组织、落锤、残余应力等)上都有明确的技术要求。

但是，不管国际铁路联盟标准(UIC 860)，欧洲铁路联盟标准(EN 13674)，我国普通铁路用钢轨标准(TB/T 2344)，还是我国高速铁路用钢轨标准(TB/T 3276)中，对钢轨断面的冲击功都没有具体要求。为了全面掌握国内钢轨的性能情况，在每年的国产钢轨质量批检验中，把钢轨全断面纵向冲击功列为了一个检验项目。

本文对国内四家钢轨生产企业(武钢、攀钢、包钢和鞍钢)近几年生产的60kg/m U71Mn(包括U71Mn和U71MnG)和U75V(包括U75V和U75VG)钢轨的室温冲击功进行统计分析，为掌握国内钢轨的冲击性能提供依据。同时讨论了影响钢轨冲击功的主要因素，为改进钢轨冲击性能提供参考。

1 取样部位及试验方法

为了分析钢轨的冲击功，按图1所示位置取样采用摆式冲击试验机(型号为ZBC-1501)进行检验。其中1～4号为轨头部位，5～8号为轨腰部位，9～14号为轨底部位，轨头、轨腰和轨底的冲击性能为各部位所取试样冲击功的平均值。冲击实验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》执行。试样横断面尺寸为10mm×10mm，长度为55mm，在试样中部开2mm深U型缺口(图1断面左侧面)，开口方向垂直轧制方向，冲击试验温度为室温。

2 国产钢轨轨冲击功统计

2.1 U71Mn钢轨冲击功

国内四家钢厂所生产的U71Mn钢轨轨头、轨腰和轨底的冲击功统计见图2。从图中可以看出，轨头冲击功平均值为15.65 J，最小值为9 J，最大值为21.5 J。轨腰冲击功平均值为8.69 J，最小值为6 J，最大值为14.9 J。轨底冲击功平均值为19.57 J，最小值为12.0 J，最大值为26.5 J。轨底冲功能最高，轨头次之，轨腰最低。

四家钢厂U71Mn钢轨轨头、轨腰和轨底冲击功波动范围和均值见表1。可以看出，各钢厂生产的U71Mn钢轨各部位冲击功的波动范围和均值基本相同。其中轨头部位冲击功的均值相差最大，达到3.1 J。

图1 全断面冲击试验取样位置图

图2 U71Mn钢轨冲击功统计

表1 国内四家钢厂U71Mn冲击功对比/J

2.2 U75V钢轨冲击功

国内四家钢厂所生产的U75钢轨轨头、轨腰和轨底的冲击功统计见图3。从图中可以看出，轨头冲击功平均值为14 J，最小值为8.5 J，最大值为24 J。轨腰冲击功平均值为9.03 J，最小值为4.5 J，最大值为13.5 J。轨底冲击功平均值为16.28 J，最小值为10.5 J，最大值为21.5 J。轨底冲击功最高，轨头次之，轨腰最低。

四家钢厂U75V钢轨轨头、轨腰和轨底冲击功波动范围和均值见表2。可以看出，各钢厂U75V钢轨各部位冲击功的波动范围和均值基本相同，各部位冲击功的均值相差在1.5 J之内。

图3 U75V钢轨冲击功统计

表2 内四家钢厂U75V冲击功对比 / J

3 U71Mn和U75V钢轨冲击功对比分析

U71Mn和U75V钢轨轨头、轨腰和轨底的冲击功对比见图4，从图中可以看出，U71Mn钢轨轨头和轨底部位的冲击功均高于U75V钢轨，而轨腰的冲击功与U75V钢轨基本相同。

U71Mn和U75V的化学成分[1，2]见表3。从表中可以看出，U75V钢轨(包括U75V和U75VG)的化学成分中C、Si含量范围均高于U71Mn钢轨，并含有一定量的合金元素V，只是Mn含量范围低于U71Mn。U75V钢轨的抗拉强度和轨头顶面布氏硬度均大于U71Mn钢轨，但其韧性低于U71Mn钢轨。因此，对于相同断面的U71Mn和U75V钢轨，其轨头和轨底冲击功的差异主要是由化学成分引起。

图4 U71Mn和U75V钢轨冲击功对比

由于钢轨轨腰的金属来自连铸坯中间部位，轨腰冲击功受连铸坯中心偏析、疏松等冶金缺陷的影响更大，因此表现为U71Mn和U75V钢轨轨腰的冲击功基本相同。

表3 U71Mn和U75V钢轨化学成分及性能要求

4 钢轨全断面冲击功分布分析

U71Mn和U75V钢轨全断面14个部位的平均冲击功见图5，从图中可以看出，U71Mn与U75V各部位的冲击功变化规律相似。

轨头部位的1～4号位置中，1号和4号位置的冲击功高于2号和3号位置，即距离钢轨断面对称中心线越近，冲击功越低。这是由于钢轨轧制变形时，越靠近边部，压缩比越大，珠光体组织的片层间距越小，冲击功越高。并且2号和3号位置的金属来自靠近铸坯中间部位的金属，更容易出现偏析等缺陷。

轨腰部位5～8号位置的冲击功是整个断面中最低的。这是因为铸坯到钢轨的变形过程中，虽然轨腰的压缩比最大，但连铸坯中间部位的金属流到轨腰，铸坯中心区域的偏析、疏松等缺陷会遗传到钢轨轨腰。其中5号和6号部位对应的是铸坯中心的金属，偏析最严重[3，4]，从而导致5号和6号部位的冲击功最低。

轨底9～12号部位的冲击功的变化规律和产生原因与轨头1～4号部位相似。13和14号位置的冲击功最高，这是因为其位于轨底边部，变形过程的压缩比最大，且其对应的是铸坯的边部金属，连铸质量最好，同时该部位在冷却过程中的冷却速度最快。

图5 U71Mn和U75V钢轨全断面各部位的冲击功

5 结论

(1)国内四家钢厂所生产的U71Mn钢轨轨头、轨腰和轨底的冲击功平均值分别为15.65 J、8.69 J和19.57 J；U75V钢轨轨头、轨腰和轨底的冲击功平均值分别为14 J、9.03 J和16.28 J。轨底冲击功最高，轨头次之，轨腰最低，各钢厂生产的U71Mn和U75V冲击功的均值和波动范围相似。

(2)U71Mn钢轨轨头和轨底的冲击功高于U75V钢轨，轨腰的冲击功与U75V钢轨相同。

(3)U71Mn和U75V钢轨全断面各部位的冲击功的变化规律相似，越靠近钢轨边部，压缩比越大，冷却速度更快，冲击功越高；而轨腰部位受铸坯中心区域的偏析、疏松等缺陷的影响越小，冲击功最小。

[1] TB/T 3276-2011，高速铁路用钢轨[S].

[2] TB/T 2344-2012，43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件[S].

[3] 周剑华，任安超，吉玉，等.60kg/m重轨轧制过程断面金属流动分析[J]. 武钢技术，2012，50(5)：14-16.

[4] 宗伟，高密超，田仲良，等.重轨开坯轧制中金属质点流动的有限元模拟机分析[J].中国材料科技与设备，2008，(4)：72-74.