鋼軌氣壓焊接頭斷裂的組織分析

鋼軌氣壓焊接頭斷裂的組織分析

隨著鐵路列車的快速啟動(dòng)，連接鐵路的完美鐵路和長度的完美鐵路變得越來越流行，鋼絲繩的壓痕也越來越多。它的質(zhì)量直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩Ｒ虼?鐵路全面提速后,鋼軌氣壓焊接頭的質(zhì)量對(duì)保證高速列車安全、平穩(wěn)地運(yùn)行顯得極為重要。本文對(duì)京廣線的某長軌斷軌接頭進(jìn)行了組織分析。1試驗(yàn)過程1.1美國縣一個(gè)程度分類鋼軌斷裂發(fā)生在氣壓焊焊接的熱影響區(qū),為脆性解理狀斷口,斷口分裂紋源和斷裂區(qū)兩部分,見圖1a。斷口裂紋源位于鋼軌底部角部,見圖1b。裂紋源處斷口較平整,呈瓷性斷口狀,斷裂區(qū)均為從裂紋源開始的發(fā)散型撕裂紋。用線切割機(jī)將鋼軌從裂紋源沿縱向朝母材方向取7個(gè)樣,每塊試樣縱向尺寸為12mm,進(jìn)行磨制、拋光、腐蝕,制成金相樣品。1.2金相組織的能譜分析利用KYKY2800型掃描電鏡對(duì)斷口及金相組織進(jìn)行觀察,Finder1000型電子探針對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行能譜分析,結(jié)合光學(xué)顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行分析,并用HX-200型顯微硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行顯微硬度的測(cè)定。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1金相組織的光學(xué)顯微鏡分析2.1.1控鋼含碳量的變化鋼軌裂紋源處的金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織,見圖2a,越靠近裂紋,網(wǎng)狀鐵素體越多,由于鋼軌的含碳量在0.72～0.82(wt%)之間,為共析成分鋼,網(wǎng)狀鐵素體出現(xiàn)說明該處曾出現(xiàn)脫碳和過熱現(xiàn)象。除網(wǎng)狀鐵素體外,裂紋源處金相組織中還發(fā)現(xiàn)有明顯的熱裂紋,見圖2b,裂紋緊臨斷口,長約0.15mm,寬約0.03mm。2.1.2焊接熱影響區(qū)的確定從過燒組織往母材方向,基本上為珠光體組織,見圖3a,說明鋼軌焊后經(jīng)過了正火處理,原焊接熱影響區(qū)的組織被改善。離開裂紋源大約8～10mm,組織中除珠光體外,沒有發(fā)現(xiàn)因過燒引起的裂紋和脫碳現(xiàn)象,說明鋼軌斷裂不是由正火組織所致。在鋼軌中距焊縫約50～70mm處,發(fā)現(xiàn)回火索氏體組織,見圖3b。由于鋼軌在焊接加熱和正火加熱時(shí),加熱器加熱范圍為焊縫左右約30mm,因而可以推斷該位置是焊接加熱時(shí)和正火加熱時(shí)的熱影響區(qū)?；鼗鹚魇象w的出現(xiàn)說明鋼軌焊接時(shí),在該范圍以內(nèi)的焊接熱影響區(qū)中曾出現(xiàn)過馬氏體組織。在隨后的正火加熱時(shí),50mm以內(nèi)的加熱溫度超過727℃,馬氏體經(jīng)正火轉(zhuǎn)變成珠光體組織,而50～70mm范圍加熱溫度低于700℃,原馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織。2.2電子探針分析斷軌裂紋源處的金相組織掃描電鏡分析表明,裂紋源為過燒區(qū),金相組織中有大量的過燒裂紋和過燒的蜂窩狀空洞,見圖4a,這些微裂紋尺寸大多在長0.5mm、寬0.05mm以內(nèi),為組織內(nèi)存在的顯微裂紋。在斷軌裂紋源處,發(fā)現(xiàn)了源于裂紋源的熱裂紋,見圖4b,說明鋼軌斷裂與這些微裂紋存在密切相關(guān)。除熱裂紋之外,在裂紋源附近還發(fā)現(xiàn)大量的冷裂紋,見圖4c,圖4c示出了源于裂紋源的冷裂紋,說明鋼軌斷裂與冷裂紋的存在也有關(guān)。利用電子探針對(duì)鋼軌的基體、過燒裂紋、冷裂紋和蜂窩孔洞進(jìn)行了成分分析,見圖5。鋼軌的基體成分除Fe外,還含有少量Mn、Si、Cr、S等元素,局部地區(qū)還出現(xiàn)有V、Al等,冷裂紋中夾雜物多為MnS,其中MnS的尺寸約為0.005～0.01mm,屬于鋼軌允許的正常范圍,也說明冷裂紋的產(chǎn)生是應(yīng)力與雜質(zhì)共同作用的結(jié)果。對(duì)熱裂紋與蜂窩狀孔洞的電子探針分析表明,其成分與基體成分基本相似。由于該電子探針測(cè)不出O、C、H、N等元素,故可以認(rèn)為該處可能為氧化鐵,即這些孔洞和裂紋是由于焊接加熱時(shí)溫度過高以致使組織中大量的Fe氧化所致。由于加熱溫度過高,使該地區(qū)的C與空氣中的O2化合形成CO或CO2氣體跑掉,所以過燒與脫碳幾乎是同時(shí)發(fā)生的。2.3斷裂原因分析。在焊接斷軌顯微硬度測(cè)試,結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,鋼軌裂紋源、脫碳區(qū)、過燒區(qū)的硬度值偏低,說明這些區(qū)域有過組織過燒與脫碳,使鋼軌性能變壞,強(qiáng)度、硬度值低于正火區(qū)與母材,從而進(jìn)一步證實(shí)鋼軌斷裂是由于過燒與脫碳引起,相對(duì)而言,正火區(qū)和母材的性能較好。綜上所述,鋼軌斷裂的主要原因是鋼軌焊接過程中,鋼軌底部加熱溫度過高,出現(xiàn)了過燒組織,即:產(chǎn)生了過燒裂紋和蜂窩狀氧化物等缺陷,使鋼軌底部強(qiáng)度下降。過燒時(shí)發(fā)生的脫碳現(xiàn)象,使鋼軌底部出現(xiàn)大量網(wǎng)狀鐵素體,使鋼軌底部強(qiáng)度、韌性進(jìn)一步下降。在列車高速運(yùn)轉(zhuǎn)的作用下,導(dǎo)致鋼軌從底部迅速斷裂。鋼軌斷裂源處出現(xiàn)的冷裂紋,主要是由于施工過程中氣溫偏低,鋼軌焊接后冷卻速度較快,鋼軌冷卻到300℃以下溫度時(shí),焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了馬氏體組織,加上焊后沒有及時(shí)進(jìn)行正火處理,在外加應(yīng)力和焊接應(yīng)力的共同作用下,鋼軌中夾雜物處馬氏體發(fā)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂,形成冷裂紋。鋼軌的正火可以改善鋼軌焊接后焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能,但不能消除鋼中的過燒裂紋、冷裂紋、氧化空洞及脫碳等缺陷,因而不能防止由于這類缺陷所引起的斷裂現(xiàn)象。3嚴(yán)格控制(1)鋼軌焊接時(shí),焊接加熱溫度,特