奥贝体钢轨和珠光体钢轨气压焊接头界面行为及力学性能分析

谢 航，戴 虹，唐 充

西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031

0 前言

随着重载线路的运量和轴重不断增加，对钢轨的性能要求也随之攀升，而珠光体钢轨理论上的力学性能极限已无法满足当下需求。贝氏体钢轨具有较高的强度、良好的韧性与塑性，并且表现出极好的强韧性配合，其韧性尤为突出，是珠光体钢轨的2～5倍［1-2］。

目前贝氏体钢轨应用于辙叉的较多，还未有大规模铺设于运输正线线路的实例，其原因：一是相比于珠光体钢轨，贝氏体钢轨合金含量较高，生产工艺复杂；二是焊接接头质量不高，目前还没有成熟的焊接及热处理方式能够完全消除焊接缺陷［3-4］。我国近10年间对贝氏体钢轨焊接研究主要集中在铝热焊和闪光焊，在焊接工艺和焊后热处理工艺等方面均有所成果［5-8］，国内将气压焊应用于贝氏体钢轨焊接的研究还较少［9］。气压焊属于固相焊，不同于熔化焊，其接头不会形成铸态组织和气孔，能够完成同种及异种钢轨对焊、同种材质不同状态钢轨对焊［10］。但气压焊接头外观质量较差，平面缺陷是钢轨气压焊接头中最常见的缺陷，极易在焊缝处发生突然断裂或疲劳断裂，严重影响行车安全。

贝氏体钢与珠光体钢之间的焊接属于异种钢焊接，由于其本身的化学成分、热物理性能和线膨胀系数不同，使得焊后的接头存在组织不均匀性和接头残余应力，从而导致接头韧塑性和强度下降，一般都会有焊后的热处理工序。本文对火焰正火前后的贝氏体钢轨与珠光体钢轨气压焊混焊的可焊性以及混焊接头组织和力学性能进行探究，通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、冲击、拉伸、硬度等常规力学试验，探究异种钢钢轨气压焊接头焊缝界面的冶金结合特征与力学性能水平，为生产一线从事异种钢轨焊接的技术人员提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为60 kg/m U75V珠光体钢轨和U26 Mn2Si2CrNiMo奥贝体钢轨（下文简称U26Mn钢轨），钢轨化学成分和主要力学性能如表1、表2所示。

表1 U26Mn钢轨和U75V钢轨化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of U26Mn rails and U75V rails（wt.%）

表2 U26Mn钢轨和U75V钢轨力学性能Table2 Mechanical properties of U26Mn rails and U75V rails

1.2 试验方法及设备

试验采用GPW-1200气压焊轨机进行U26Mn钢轨与U75V钢轨焊接，焊接参数：焊接加热350 s，加热器摆幅4 mm，乙炔/氧气流量为96/94 SLM、90/88 SLM、82/80 SLM，在加热至220 s、300 s时改变流量，最小保压压力5.5 MPa，顶锻量30 mm，冷却阶段风冷时间200 s，风压0.35 MPa；同时设置900℃±20℃正火态接头对照试验组，正火工艺为：正火时间200 s，气体流量74/68 SLM，加热器摆幅5～26 mm，冷却阶段风冷时间200 s，风压0.3 MPa，加热器摆幅20～30 mm由窄到宽渐变。

（1）采用蔡司Alm光学显微镜（OM）、JSM-IT500扫描电镜（SEM）观察分析接头显微组织形貌。

（2）拉伸试验依据TB/T 1632.4规定，试样采用d0=10 mm，l0=5d0的比例，轨头轨腰轨底各取样3个，在DNS300电子万能试验机上进行，记录抗拉强度及断后延伸率，并计算平均值。

（3）冲击试验依据TB/T 1632.4规定，采用夏比U型缺口试样，缺口直径2 mm位于焊缝中心，在轨头、轨腰、轨底各取样3个，室温下在JBN-300摆锤式冲击试验机上进行，记录冲击功，并计算平均值。

（4）轨顶面硬度根据TB/T 1632.4要求，以接头焊缝为中心，两侧大于110 mm长度的钢轨为硬度测试试样，采用OU2100里氏硬度计时测量轨顶面硬度，以加密测试点数量的测试方法减小误差，在两侧热影响区与母材交界线范围内每间隔2.5 mm测量一个硬度值，交界线范围外母材硬度每间隔7.5 mm测量一个位置，每个位置测5次后计算平均值。焊接接头实物与取样位置示意如图1所示。

图1 气压焊接头与取样位置示意Fig.1 Schematic diagram of gas pressure welding joint and sampling position

2 试验结果

2.1 接头宏观与微观特征

U26Mn与U75V异种钢钢轨气压焊焊态接头与正火态接头金相组织如图2所示。焊缝左侧为U75V钢轨，组织为珠光体+少量铁素体，右侧为U26Mn钢轨，组织为贝氏体+残余奥氏体。焊态接头的贝氏体组织中存在顶锻时产生的塑性变形流线（见图2a），经正火工艺后消除了形变流线，使接头组织均匀化（见图2b）。

图2 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊焊态、正火态接头金相组织Fig.2 Metallographic microstructure of as-welded joint and normalized joint of U26Mn rail and U75V rail

图3a～图3f为焊态接头SEM图。图3a中，焊缝界面上贝氏体与珠光体组织结合致密，未见明显的裂纹，能观察到垂直于焊缝方向生长的等轴状珠光体过渡层，宽度约5 μm，其片层间距明显小于热影响区珠光体片层间距；图3b中，焊缝位置存在长度约4 μm的椭球状夹杂物，夹杂物周围存在空隙，其周围没有明显的过渡层组织。在焊态接头轨底脚最边缘位置（见图3d、3e），该区域存在大量条状夹杂、微裂纹以及脱碳层，焊缝处存在未焊合的缺陷，表明轨底脚最边缘位置结合情况较差。图3g～图3i为正火态接头SEM图，对比焊态与正火态接头热影响区组织，正火态接头珠光体热影响区晶粒尺寸更小；焊态贝氏体热影响区残余奥氏体以粗条状居多，而正火态贝氏体热影响区的薄膜状残余奥氏体增多。

图3 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊焊态、正火态接头显微组织Fig.3 SEM of as-welded joint and normalized joint of U26Mn rail and U75V rail

2.2 拉伸试验结果

拉伸试验结果如表3所示，焊态接头1#～7#试样的断口位于焊缝位置，其中轨腰的平均强度最低，为1 077 MPa，轨头平均强度最高，为1 116 MPa，相差3.6%；焊态接头总体平均强度为1 101 MPa，高于U75V母材强度标准（980 MPa），达到U26Mn母材强度的86%。焊态接头总体平均延伸率低于TB/T 1632.4规定标准A≥6%。

表3 拉伸试验结果Table 3 Results of tensile test

正火态接头1～4#的断口位于珠光体HAZ，断裂位置距离焊缝约5～10 mm，表明正火后焊缝位置的抗拉强度不低于珠光体热影响区。轨底位置的平均强度最高，轨头最低，相差6.1%，接头总体平均强度提高到1 156 MPa，相较于焊态接头提高约5.0%，达到U26Mn母材强度的90%。正火态接头各位置的平均延伸率相较焊态接头均有所提高，且总体平均延伸率满足标准要求。

2.3 冲击试验结果

冲击试验结果如表4所示。焊态接头轨头平均冲击功最高，轨底三角区最低，相差18.9%；焊态接头总体平均冲击吸收功为4.0 J。正火态接头轨腰平均冲击吸收功最高，与最低的轨头部分相差8.7%；正火态接头总体平均冲击功为4.7 J，相较焊态接头，正火处理对接头冲击功提升17.5%。但焊态与正火态接头的冲击性能均与母材有很大差距，仅达到U75V母材的40%～47%，均未满足TB/T 1632.4标准要求KV≥6.5 J。

表4 冲击试验结果Table 4 Results of impact test

2.4 轨顶面硬度

焊态与正火态接头轨顶面硬度测试结果如表5、图4所示，由于是异种钢轨焊接，所以焊缝两侧的数据计算以各自母材为标准。由图4可见，贝氏体钢轨接头硬度明显高于珠光体钢轨。焊态接头贝氏体一侧最高硬度为541 HB，软化区最软点为242 HB，正火态接头贝氏体一侧最高硬度为561 HB，软化区最软点最低为296 HB。经900℃±20℃正火处理后，接头平均硬度与软点平均硬度变化不大，变化幅度在1%～4%之间，软化区宽度有较明显下降，贝氏体侧与珠光体侧的软化区宽度分别减小26%和34%。根据铁道标准TB/T 1632.4中气压焊质量要求规定：钢轨气压焊接头轨顶面硬度应满足HJ≥0.9HP，HJ1≥0.8HP，ω≤20 mm。除正火态接头两侧软点/母材的数值略低于标准，其余均符合标准要求。

表5 焊态接头与正火态接头轨顶面硬度测试结果Table 5 Hardness test results of rail top surface of as-welded joint and normalized joint

图4 焊态接头与正火态接头轨顶面硬度曲线Fig.4 Hardness curve of top rail surface of as-welded joint and normalized joint

3 分析与讨论

3.1 接头冶金结合模型

图5是U26Mn与U75V钢轨气压焊接头冶金结合过程的模型。当接头温度低于700℃时（见图5a），两侧钢轨均处于Ac1温度之下，在加热与外加压力下，接头界面发生塑性变形，界面上的微孔逐渐缩小，接触面积不断扩大；当接头温度达到700℃～800℃时（见图5b），接头组织奥氏体化并发生晶界迁移，界面两侧元素相互扩散，使微孔消除，界面逐渐形成牢固结合层；当接头温度达到850℃以上时（见图5c），接头组织完全奥氏体化，元素扩散速率增大，结合层组织在高温下长大，气孔完全消除；在顶锻阶段中（见图5d），接头在外加压力下发生大量塑性变形，形成可靠连接，同时界面处的组织在高温与压力作用下发生动态再结晶（DRX），形成一层细晶组织；在冷却过程中（见图5e），U75V一侧的细晶层转变为珠光体垂直于焊缝界面生长，U26Mn一侧的细晶层则在界面上转变为贝氏体，其铁素体片条尺寸小于热影响区的贝氏体铁素体，两侧组织在界面上交互结晶，最后形成致密的焊缝。

图5 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊接头冶金结合模型Fig.5 Metallurgical combination model of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welding joint

3.2 接头界面元素扩散行为

焊态接头焊缝位置以及夹杂位置的线扫描结果见图6。观察焊缝位置线扫结果（线数据1），在焊缝界面两侧4～10 μm的范围，C、Mn、Si、Cr元素的含量呈现大致的线性变化趋势，表明两侧钢轨中的元素在焊缝界面附近发生了扩散，C元素从U75V一侧向U26Mn扩散，Mn、Si、Cr元素从U26Mn一侧向U75V扩散，其扩散方向与两侧元素含量的梯度相符合，这说明顶锻过程发生动态再结晶的同时，两侧组织在焊缝界面上还发生了交互结晶，形成冶金结合。观察夹杂位置处线扫结果（线数据2），能明显观察到在夹杂物位置处S、Mn元素含量出现峰值，同时Fe、Si、Cr元素含量出现峰谷，判断夹杂类型为MnS，可能原因是：Mn在界面扩散过程中与S结合生成金属间化合物。夹杂物的存在阻隔了焊缝两侧金属组织的联系，导致两侧组织未能接触，焊缝界面上的元素扩散与组织交互结晶受阻，在焊缝界面上形成微孔，出现部分未焊合的缺陷。

3.3 冲击及拉伸试样断口分析

图7为焊态接头与正火态接头拉伸试样断口的宏观形貌。焊态断口宏观形貌主要为颗粒状的穿晶断裂形貌，在试样断口的局部区域中存在纤维状的暗灰色断口形貌（见图7a、7b），面积约10 mm2，其宏观形貌上呈现出平坦、光滑且没有反光颗粒。正火态接头宏观断口宏观上为颗粒状的穿晶裂纹（见图7c），在断口中并未观察到暗灰色纤维状区域。

图7 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊接头拉伸试样断口宏观形貌Fig.7 Macroscopic morphology of tensile specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

图8为焊态拉伸试样断口SEM图。A区域微观形貌为河流花样+部分晶粒状断口（见图8a），是穿晶与沿晶断裂混合形貌，能观察到沿晶裂纹区域存在数个椭圆状夹杂。根据能谱结果分析夹杂物为MnS（见图8c），可能是Mn元素在晶界上偏析，形成的夹杂破坏了晶界的连续性，在受力时易萌生裂纹，成为裂纹源，最终沿晶界断裂。B区域（见图8b）微观形貌为小韧窝+撕裂棱，是微孔聚合型断裂特征，表明该位置组织存在交互结晶［11］。

图8 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊焊态接头拉伸试样断口微观形貌Fig.8 Microscopic morphology of tensile specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

图9为焊态与正火态接头冲击断口宏观形貌，图10为焊态与正火态接头冲击断口微观形貌。焊态试样冲击断口存在条状暗灰色纤维状区域，总面积约为75 mm2，其中C、D区域的微观形貌均为沿晶断裂形貌特征（见图10a、10b）。断裂面上存在连续分布球状夹杂物，能谱分析结果为MnS（见图10c）。正火态试样冲击断口纤维状断口形貌面积约160mm2，其中E区域SEM样貌为小韧窝（见图10d），是微孔聚合型断口；F区域SEM样貌则是河流状花样，是穿晶断裂特征（见图10e）。

图9 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊接头冲击试样断口宏观形貌Fig.9 Macroscopic morphology of impact specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

图10 U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊接头冲击试样断口微观形貌Fig.10 Microscopic morphology of impact specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

综合冲击与拉伸的试验数据，可得硫化物对于焊接接头性能影响具有各向异性。硫化物对接头横向的强度没有显著影响，接头强度仍然可达到贝氏体母材的80%以上；对接头纵向的冲击韧性有着很大的影响，无论焊态还是正火态接头，其冲击韧性均未满足TB/T 1632《钢轨焊接》的标准要求。

4 结论

（1）U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊接头焊缝界面两侧存在元素扩散，焊缝界面金属在热机循环作用下发生了交互结晶和再结晶，表明两种钢轨通过气压焊工艺能够冶金结合（除轨底脚位置外）。

（2）U26Mn钢轨与U75V钢轨气压焊焊态及正火态接头的抗拉强度均高于珠光体钢轨母材，正火态接头平均强度达到贝氏体钢轨母材强度的90%，抗拉强度良好；焊态与正火态接头的冲击性能较差，未满足标准要求；焊态接头的轨顶面硬度、软化区硬度的平均值以及软化区的宽度能够达到标准要求。正火处理对接头的抗拉强度以及冲击韧性的提升不明显，对降低软化区宽度有较好的效果。

（3）焊接接头中的硫化物夹杂对于接头性能影响是各向异性的。对接头横向的强度没有显著影响，对接头纵向的冲击韧性有着很大负面影响。