Page 94 - 《摩擦学学报》2021年第3期
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第 3 期                   向鹏程, 等: 两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究                                       383


                铁路交通以速度快、能耗低、运量大、安全性高等                         疲劳裂纹扩展行为，揭示了以剪切力为主要诱因的裂
                                                                                [18]
            特点，成为我国重要的运输方式，并在国民经济发展                            纹扩展规律. 丁韦等 研发了一种超轻型的钢轨焊接
            中占据十分重要的位置. 随着我国铁路高速化与重载                           接头喷雾淬火设备，对正火处理后的PD3钢轨进行喷
            化的推进，铁路运输已经达到了新的发展阶段. 截止                           雾淬火，明显提高了焊接接头硬度.
            2019年底，我国高速铁路营业里程已达3.5万公里，约                            不同的焊接方式和热处理工艺都会造成钢轨焊
            占世界总里程的70%. 高速钢轨的主要损伤形式为滚                          接接头的微观组织及力学性能的差异，进而对钢轨寿
            动接触疲劳，重载钢轨的主要损伤形式有侧磨、剥离                            命及服役性能产生影响. 本文作者首先分析了过共析
            掉块和钢轨压馈        [1-2] . 过共析钢轨因其高硬度和高耐磨              钢轨闪光焊焊接接头通过淬火和正火两种局部热处
            性等特性，可显著提高重载铁路钢轨寿命                   [3-4] . 我国无   理后的微观组织，然后利用冲击试验机对两种钢轨焊
            缝钢轨主要的焊接方法是闪光焊，由于焊接后的几何                            接接头不同区域开展冲击试验，通过分析冲击深度、
            不规则性以及材料不均匀性，与钢轨母材相比，钢轨                            磨损体积、微观组织和损伤等，揭示了两种钢轨焊接
            焊接接头更容易形成损伤，产生低塌现象，使列车经                            接头的冲击磨损与损伤特性. 研究结果可为提高钢轨
                                     [5]
            过时产生强烈的冲击和振动 ，影响列车运行安全与                            焊接接头服役性能提供理论依据与技术支撑.

            舒适性   [6-7] . 因此需要对闪光焊焊接接头进行焊后热处
                                                               1    材料及方法
            理，提高焊接接头的力学与摩擦学性能，保证钢轨服
                    [8]
            役可靠性 .                                             1.1    材料
                实际服役中钢轨焊接接头的受力工况十分复杂，                              冲击试验所用试样为淬火和正火后的过共析钢
            包括冲滑、剪切和冲击等各种形式，国内外研究人员                            轨闪光焊焊接接头(后文简称淬火焊接接头和正火焊
            对钢轨接头损伤开展了一系列研究. 李金华等 通过                           接接头)，过共析钢的化学成分和力学性能列于表1中.
                                                     [9]
            现场钢轨焊接接头研究发现：焊接接头磨耗状态与接                            两种焊接接头的焊接工艺相同，仅后续热处理工艺不
            头硬度分布密切相关，焊接接头的焊缝及热影响区的                            同. 在本文中通过钢轨焊接接头硬度变化来确定钢轨
                                                      [10]
            软化区相对其他位置磨耗更为严重. Godefroid等 对                      焊接接头不同区域，在钢轨焊接接头表面下5 mm处中
            钢轨焊接接头疲劳裂纹扩展机理进行了研究，发现钢                            心部位取尺寸大小为10 mm×10 mm×100 mm的长条
            轨接头的疲劳裂纹多从焊缝处进行脆性扩展，甚至导                            试样(Bar sample)，如图1所示. 利用维氏硬度仪(MVK-
            致断裂. 谢旭辉等 研究了U71Mnk钢轨焊缝及母材                         H21, 日本)对长条试样进行硬度测量，为避免测试误
                            [11]
            在滚动接触过程中的磨损演变行为，与非焊缝区相                             差，每组试样测试3次.
            比，钢轨焊缝区容易产生损伤. 蒋文娟等                 [12-13] 研究了        图2为淬火和正火焊接接头硬度沿钢轨纵向的变
            U71Mn钢轨焊接接头的滚动及冲击损伤行为，分析了                          化规律. 可以看出焊接接头可分为焊缝区(Weld joint,
            U71Mn各组织性能的差异对磨损性能的影响. 王莹莹                         WJ)、 热 影 响 区 (Heat  affected  zone,  HAZ)和 母 材 区
            等 研究了不同热处理时间的U75V钢轨焊接接头的                           (Base material, BM)，其中焊缝区选择焊缝中心位置进
              [14]
            冲击损伤行为，表明电磁感应正火后的闪光焊焊接接                            行冲击试验，热影响区选择硬度最低位置进行试验.
                                          [15]
            头抗冲击能力大幅度提高. 李炜等 研究了闪光焊和                           母材区硬度约为415HV ，淬火焊接接头焊缝区
                                                                                     0.5
            铝热焊两种焊接工艺下过共析钢接头冲击磨损性能，                            (Quenching-WJ)硬 度 值 约 为 390HV 、 热 影 响 区
                                                                                               0.5
            研究表明闪光焊焊接接头的抗冲击性能优于铝热焊                             (Quenching-HAZ)硬度值约为290HV ，正火焊接接头
                                                                                              0.5
            焊接接头. Ninshu等 通过仿真和试验对闪光焊焊接                        焊缝区(Normalizing-WJ)硬度约为350HV 、热影响区
                              [16]
                                                                                                  0.5
            头的残余应力进行研究，结果表明闪光焊焊接接头中                            (Normalizing-HAZ)硬度约为305HV ，焊接接头不同
                                                                                             0.5
            存 在 较 高 的 残 余 应 力 ， 会 加 速 焊 接 接 头 的 磨 损 .          区域硬度高低排序如下:母材区>淬火接头焊缝区>正
                       [17]
            Desimone等 通过仿真及试验分析了钢轨焊缝中心                         火接头焊缝区>正火接头热影响区>淬火接头热影响
                                             表 1    过共析钢轨化学成分与力学性能
                             Table 1    Chemical compositions and mechanical properties of hypereutectoid rail

                              Chemical compositions                            Mechanical properties
               w(C)/%    w(Si)/%   w(Mn)/%    w(P)/%  w(Cr)/%   Tensile strength,σ b  /MPa  Elongation,δ/%  Hardness,HV 0.5
               0.91~0.95  0.47~0.51  0.94~0.99  ≤0.02  ≤0.7          ≥1 300            ≥8          390~440
   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99