钢轨闪光对焊接头断口金相分析

第17卷第1期1999年3月

佳木斯大学学报(自然科学版)

Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition)

Vol.17No.1

Mar.1999钢轨闪光对焊接头断口金相分析

丁成钢 郜忠海

(大连铁道学院,大连,116028)(佳木斯石油化工压力容器检验所)

摘　要　进行了钢轨闪光对焊接头断口金相研究.结果表明,钢轨接头断裂系疲劳断裂,氧化物夹杂是疲劳裂纹源.

关键词　闪光对焊　疲劳/断口　氧化物夹杂

分类号　TG456

0　前言

高速与重载是当今我国铁路发展的两大主流技术.发展高速铁路已成为解决铁路运输问题的必由之路,而建设无缝线路是实现铁路现代化的重要内容.我国铁路正线的六万多公里,其中无缝线路约占三分之一,并逐渐增长.世界各国无缝线路长钢轨焊接主要采用闪光对焊,因此,铁路全面提速后,钢轨闪光对焊接头的可靠性便成为业内人士关注的焦点.本文对提速后的沈山线钢轨接头断口金相进行了分析.

1　试验材料和方法

试验用的钢轨取自沈山线高山子站下行线路.钢轨系鞍钢产60公斤级重轨U71M n,化学成分为C≈0.7%,M n=1.2%,Si=0.32%,S、P<0.04%.钢轨闪光对焊前,表面进行淬火处理,焊后接头进行正火处理,钢轨1996年4月15日上线,1997年11月7日断裂,断裂位置在近缝区.

用光镜进行显微组织观察,腐蚀液为2%硝酸酒精.用扫描电镜观察了断口的形貌,并用能谱鉴定了夹杂物成分.

2　试验结果和分析

2.1　闪光对焊接头的组织观察

图1为轨底左端头靠近断口处的光镜组织.其特征是,边缘大部分为铁素体(a),越向里(纵向)铁素体越少,为珠光体组织(b).同时,在端头边缘发现有夹杂,如图2所示.图3进一步显示了它的微观形貌.扫描电镜能谱分析表明,夹杂含有大量的氧和铁,是氧化物夹杂.

a　200× b　500×

图1　轨底左侧端头组织

*铁道部基金资助项目

收稿日期:1998—12—20

作者简介:丁成钢,男,1968年9月出生,1993年毕业于大连铁道学院研究生部,工学硕士,现任大学铁道学院讲师.

图2　氧化物夹杂 图3　夹杂微观形貌

2.2　断口形貌观察

2.2.1　宏观断口分析

钢轨断口宏观形貌如图5所示,可以看出它有两个断裂源,一个是在轨底的左侧端头,该处断口平滑,有明显的裂纹扩展前沿线(海滩花样),是典型的疲劳断口.另一个断裂源在轨头靠近踏面处,在轨头踏面的亚表面有许多小台阶,形成多个断裂源,裂纹向轨腰扩展

.

图4　氧化物夹杂能谱 图5　钢轨宏观断口

2.2.2　微观断口分析

将清理干净的断口在SEM 下进行观察分析.第一个疲劳源是在轨底左侧端头,

断口裂纹源处已磨

图6　轨底左端头断口形貌疲劳源区15×

损,但是疲劳裂纹扩展特征非常明显,如图6所示.该区域断口平滑,说明疲劳裂纹扩展比较慢,而且断口已磨损,氧化程度比轨头严重,它是疲劳裂纹最先形成的部位.图7显示了轨头靠近踏面的断口形貌,沿轨头宽度方面有多条小的台阶线,并向轨腰辐射.这说明在钢轨踏面的表面形成多源疲劳裂纹,这些裂纹向轨腰扩展.图8显示出裂纹扩展的疲劳特征,再向里出现解理断裂(图9),裂纹扩展速度加快.

2.2.3　讨论39

第1期 丁成钢等:钢轨闪光对焊接头断口金相分析

由上述宏观观察和SEM 微观观察表明,钢轨在使用过程中,由于在轨底左侧端头靠近焊缝处和轨头踏面亚表面先后形成疲劳裂纹,裂纹不断从两个方向向轨腰扩展,最后导致钢轨断裂

.

图7

　轨头断口疲劳源区×

图8　疲劳裂纹扩展区500× 图9　解理断口500×

钢轨接头断裂,发生在焊缝区域.在轨底左侧端头靠近断口处.表层为铁素体,这说明表面产生脱碳.在闪光焊时,特别是高碳钢闪光表面上的碳含量会减少,顶锻时已脱碳的金属未被完全挤出,留一些在焊缝里,便成为焊缝的薄弱区域,而且通过焊后热处理(正火)也难以消除此不良组织.在该区域还发现氧化物夹杂,这是在焊接时形成的,由于所用的顶锻力不足以挤出氧化物夹杂,使他们存留在焊接接头中,削弱了焊缝的性能.钢轨在使用过程中,就会在这些薄弱区域优先产生疲劳裂纹,导致钢轨过早失效.另外,该钢轨端头踏面在淬火处理后,经过无数次列车通过时的撞击和震动,轨端淬火层与钢轨基体的过渡交界处,性能差别较大的地方(即踏面亚表面)会出现疲劳裂纹,随后不断扩展,导致钢轨断裂.

3　结　论

1)钢轨闪光对焊接头断裂系疲劳断裂.

2)轨底左侧端头焊缝处最先形成疲劳裂纹,焊缝中的氧化物夹杂是启裂点.轨头踏面亚表面也可成为疲劳裂纹源.

参　考　文　献

1　郭鸿年.钢轨焊接.大连铁道学院自编教材,1982

2　许广德.从钢轨断裂情况谈无缝线路焊轨应注意的问题.铁道建筑技术,1996(1):40

3　金属机械性能编写组.金属机械性能.北京:机械出版社,1982

FRACTOGRAPH INVESTIGATION OF RAIL FLASH

BUTT WELDING JOINT

Ding Chenggan Gao Zhonghai

(Dalian Raiway Ins titue ,Dalian ,116028)(Jiamusi Petroleum Press ure Containers Checking Lab )

ABSTRACT T he fractog raph investig ation of rail flash butt Welding jo int is intr oduced.T he ex -perimental results show that fatigue failure is characterised ,and o xide inclusion is fatigue initiatio n .

KEY WORDS flash butt w elding,fatig ue fracture sur face,ox ide inclusion.40佳　木　斯　大　学　学　报　(自　然　科　学　版) 1999年