Page 27 - 《摩擦学学报》2020年第5期

582 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

28 26

mm
SZ WB SZ PM
Fig. 5 Sampling schematic
图 5 焊缝和软化区试样的取样位置示意图

5.5
BM 700
5.0
WB
4.5 SZ 600
4.0
Wear mass/g 3.5 Hardness, HV 500
3.0
400
2.5
PM
2.0 WB
300
1.5 SZ
1.0 200
1×10 5 2×10 5 3×10 5 0 1×10 5 2×10 5 3×10 5
Number of cycles Number of cycles
Fig. 6 Wear mass of rails Fig. 7 The hardness value of welded joint
图 6 钢轨的磨损量 图 7 试验前后钢轨试样的硬度

图7是试验前后3个区域的试样的硬度. 随着循环 落，从折断的区域可以发现，软化区和焊缝的裂纹较
次数的增加，硬度值均逐渐增大. 焊缝和软化区的硬 母材更深入，尤其是软化区的裂纹相比焊缝裂纹扩展
度到达某个值后，硬度值变化不大，逐渐趋于平稳，而 的深度更深.
5
母材的硬度一直随着循环次数的变化不断提高. 初始 图9为试样在3×10 循环下纵剖面裂纹OM照片.
状态下，软化区的硬度最小，焊缝的硬度最大，在 母材试样表面出现细小的裂纹，裂纹以小角度向内并
5
3×10 循环时，软化区的硬度依然最小，而母材的硬度 大致平行于表面的方向扩展，然后并转向表面扩展至
超过了焊缝. 从表面脱落，形成细小的薄片. 焊缝试样表面裂纹为
2.2 表面损伤行为分析 多层状，既有从表面开裂，逐渐向内部扩展的裂纹[见
图8为3个区域试样分别在3个循环下表面损伤 图9(b)中点1]，也存在从次表面直接形成开裂，并各自
SEM照片，3个区域试样表面均可见明显的疲劳裂纹. 逐渐长大直至相连贯穿的裂纹[见图9(b)点2]. 软化区
5
在1×10 循环下焊缝表面裂纹[见图8(b)]较母材[见 试样表面形成多层裂纹，裂纹的长度和深度远大于母
图8(a)]短小，但是数量较多，而软化区的表面裂纹[见 材和焊缝，这与图8显示的结果完全一致. 相较于焊缝
图8(c)]长度最长，数量最少. 在2×10 循环下，母材、软 的多层状的裂纹，软化区的裂纹层数更多，层厚度更
5
化区表面的裂纹[见图8 (d) (e) (f)]均有数量增多，焊缝 薄. 由此可见，在软化区的疲劳损伤比焊缝和母材更
表面裂纹数量减少，但长度增大. 总体来说，在这两个 加严重，焊缝的疲劳损伤也比母材严重. 已有的研究
循环下，3个区域表面裂纹均表现为薄片状的起皮. 在 表明，钢轨在气压焊过程中，会产生脱碳现象(钢的含
5
3×10 循环下，发现3个区域的表面表面损伤[见图8(g) 碳量减少的现象)，碳质量分数从原始的0.78%减少至
(h) (j)]差异较大，焊缝和软化区表面损伤较母材严重， 0.54% ，碳含量的下降焊缝位置材料碳元素不足，晶
[17]
尤其是软化区. 母材表面的裂纹[见图8(g)]随着循环次 粒周围形成大量的铁素体组织，导致钢轨力学性能下
数的增多变化不大，依旧比较细小，但是数量增多，相 降，成为裂纹的起源 [17-18] . 而在本试验中，在焊缝组织
对密度增大，裂纹之间间距减小. 焊缝和软化区表面 中发现了晶粒周围分布的铁素体组织，如图3(b)和
裂纹[见图8(h) (j)]长度远大于母材，但相对数量较母 图4(b)所示，从而加重了焊缝表面的疲劳损伤. 结合
材少. 裂纹的扩展到一定深度后折断，形成片层状脱 图8、图9，这也很好地解释了磨损量的变化，软化区无