异种钢轨气压焊接头的显微组织与力学性能

异种钢轨气压焊接头的显微组织与力学性能 Microstructure and Mechanical Properties of Dissimilar Steel Rail Gas Pressure Welded Joint first-author 唐　充（1996—），男，在读硕士，主要从事轨道焊接的研究。 唐　充（1996—），男，在读硕士，主要从事轨道焊接的研究。 corresp 戴　虹（1957—），女，教授，主要从事轨道焊接技术和装备研究。 戴　虹（1957—），女，教授，主要从事轨道焊接技术和装备研究。 西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031 西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031 College of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China College of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China 贝氏体钢轨的焊接性问题导致其应用被制约，为适应贝氏体钢轨在轨道铺设与维护工程中的应用发展趋势，采用气压焊方法研究贝氏体钢轨（U20Mn）与珠光体钢轨（U95Cr）异种钢轨的焊接性。通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、冲击和拉伸试验探索焊缝界面的微观组织形貌、元素扩散规律和力学性能。结果表明：贝氏体与珠光体异种钢轨焊接接头焊缝界面金属能在固态条件下形成共同晶粒，实现了良好的冶金结合，轨底脚相对其他部位结合程度较差；U20Mn侧焊缝区域主要由马氏体（66.2%）及贝氏体铁素体（33.8%）组成，最高硬度值为500 HB；接头冲击韧性较低，为4.1 J，抗拉强度为961 MPa，延伸率为8%，接头强度较U95CrWZ软化区更高。 The application of bainite rail is restricted due to its weldability. In order to adapt to the application and development trend of bainite rail in track laying and maintenance engineering, the weldability of dissimilar steel welding between bainite rail and pearlite rail is studied by pneumatic welding method.The microstructure morphology, element diffusion law and mechanical properties of the weld interface were investigated by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), impact and tensile tests. The results show that the weld interface metal of dissimilar steel welded joints of bainite rail and pearlite rail can form common grains in solid state, which can achieve good metallurgical bonding, and the bonding degree of rail foot is poor compared with other parts. U20Mn WZ (U20Mn side weld) area is mainly composed of martensite (66.2%) and bainite ferrite (33.8%), and the highest hardness value is 500 HB; the impact toughness of the joint is 4.1 J; the tensile strength is 961 MPa ,and the elongation is 8%. 气压焊 U20Mn/U95Cr异种钢焊接 显微组织 力学性能 gas pressure welding welding of U20Mn / U95Cr dissimilar steel microstructure mechanical property 前言 1 重载铁路是国家经济命脉，重载线路长，运输任务重，运量大，对钢轨及焊接接头的性能提出了更高要求 ［ 1 1 ］ 。目前国内外重载线路主要采用焊接性良好的珠光体类钢轨，而贝氏体类钢轨具有更高的强韧性和耐磨性，其使用寿命较珠光体类钢轨更长，在辙叉线路上已得到推广运用 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。 气压焊为固相压力焊接，是我国铁路建设中用于钢轨现场焊接的一种主要焊接方法，在一定的焊接温度、时间和挤压变形作用下，钢轨待焊界面的金属会发生原子扩散，继而发生交互结晶和动态再结晶 ［ 4 4 - 6 6 4-6 ］ ，从而实现冶金结合。相较于其他钢轨焊接方法，气压焊接头组织为锻造组织，在顶锻过程中杂质会被挤出焊缝，理论上不会产生气孔和夹渣缺陷，由于温度梯度不大，对裂纹缺陷不敏感且内部偏析对焊接接头质量影响较小 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 。异种钢轨材料由于在待焊界面存在成分梯度，在待焊界面一定区域发生元素均匀化扩散，在近缝区还会形成一定宽度的焊接扩散层。为了推广应用贝氏体钢轨，需要解决高强耐磨贝氏体/珠光体钢轨高品质异种钢轨固相焊接性问题，但国内外尚无文献报导，成为制约工程应用的瓶颈难题。 本文采用气压焊焊接75N U20Mn钢轨和U95Cr钢轨，采用OM、SEM、EDS、拉伸、硬度和冲击测试方法研究接头焊缝组织和力学性能，为贝氏体钢轨工程应用提供技术支撑。 试验条件和方法 1 试验材料 2 试验材料为包钢集团生产的75N贝马复相U20Mn钢轨和攀钢集团生产的75N珠光体U95Cr钢轨，其化学成分及力学性能如 表1 表1 、 表2 表2 所示。 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045771&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045780&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045774&type= 169.89999390 23.46350098 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045786&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045797&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045792&type= 169.89999390 23.46766663 试验方法 2 采用GPW-1200（75）气压焊轨机焊接试样，焊接工艺参数如 表3 表3 所示。焊后对接头进行取样，接头外观及取样位置示意如 图1 图1 所示，其中矩形边框为冲击试样，圆形为拉伸试样，其余为金相试样。拉伸试样和冲击试样尺寸如 图2 图2 所示。 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045802&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045814&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39045809&type= 169.89999390 35.41404724 1,2; 1,2; 接头金相试样经机械研磨抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，采用蔡司Alm光学显微镜、jsm-it500扫描电子显微镜进行界面组织特征观察与分析。经机械研磨抛光、Lepera试剂腐蚀后，采用DMI 8光学显微镜观察金相组织形貌。采用HVS-30数显维氏硬度计以焊缝为中心每隔0.5 mm测试硬度值（经转换得到布氏硬度值），采用DNS300电子万能试验机和JBN-300冲击试验机进行拉伸和冲击试验。 试验结果及分析 1 接头宏观和微观特征 2 U20Mn/U95Cr气压焊接头不同部位（轨顶、轨头下颚、轨腰三角区、轨底和轨底脚）的金相组织如 图3 图3 所示。可以看出，轨顶、轨头下颚、轨腰三角区、轨底三角区的焊缝为清晰平直细线，在电镜下可以观察到焊缝处无孔隙，形成大量共同晶粒，接头成形良好（见 图4 图4 ）；而轨底脚焊缝不同，局部有模糊较粗黑线，在电镜显微镜下可以观察到焊缝处存在大量显微孔洞，仅形成少量共同晶粒（见 图5 图5 ），表现为部分未焊合 ［ 10 10 ］ 。 1;2;3;4;5; （a）金相试样宏观形貌　　　　　　　　（b）轨顶金相照片　　　　　　　　（c）轨顶SEM照片 （a）金相试样宏观形貌　　　　　　　 （b）轨底脚金相照片　　　　　　　　（c）轨底脚SEM照片 为了确定接头金相组织中平直细线焊缝界面的焊合情况及组织形貌，采用扫描电子显微镜观察 图3a 图3a 所示的焊缝界面及近缝区组织特征如 图6 图6 所示，焊缝及近缝区可细分为4个小区：U20Mn焊缝区（U20MnWZ）及U20Mn侧近缝区（U20MnHAZ）、U95Cr侧近缝区（U95CrHAZ）、U95Cr侧焊缝区（U95CrWZ）。将其放大观察如 图7 图7 所示，U95CrWZ与U95CrHAZ的组织相同，均为片状珠光体形貌，但U95CrWZ的珠光体片间距较宽。U20MnWZ与U20MnHAZ的组织形貌和元素分布情况则有所不同，U20Mn/U95Cr气压焊接头焊缝界面U20Mn侧扫描位置如 图8 图8 所示，各扫描面成分如 表4 表4 所示。C元素含量在U20MnWZ较高，Mn、Cr、Si、Fe元素含量差异较小，表明C元素在温度和压力的共同作用下，由焊缝金属U95Cr高碳侧扩散到U20Mn低碳侧，进而形成了U20MnWZ小区；图 7b 7b 、 7c 7c 是经Lepera试剂侵蚀后对应位置的金相图，可见在U20MnWZ区域马氏体组织含量占比较大，采用photoshop软件对彩色金相进行处理并统计，结果显示U20MnWZ区域马氏体含量为66.2%，贝氏体铁素体含量为33.8%，而在U20MnHAZ区域贝氏体铁素体含量为66.8%，马氏体含量为33.2%；虽在彩色金相中未观察到明显的残余奥氏体（RA），但由于贝氏体是由贝氏体铁素体板条（BF）、薄膜状残余奥氏体（RA）及亚片条间分布的粒状碳化物（ε）组成，且马氏体具有转变的不彻底性，所以必然存在少量残余奥氏体（RA），在扫描电子显微镜下即可看到（见 图7f） 图7f） 。因此，U20MnWZ区域与U20MnHAZ区域形貌差异在于各相所占比例不同，U20MnWZ区域较U20MnHAZ区域马氏体含量提升33%，主要由马氏体（66.2%）及贝氏体铁素体（33.8%）组成。 1;2; 扫描面 C Mn Cr Si Fe 16 0.50 2.50 0.88 0.87 95.25 17 0.32 2.46 0.90 0.79 95.53 温度和压力在焊接过程中对接头焊缝金属作用最大，随着温度的升高，结合界面形变抗力降低，在压力的共同作用下待焊端面密贴占比加大；与此同时，原子在温度的作用下达到跃迁所需要的激活能，在界面处发生跃迁、相互扩散形核，不断消除显微孔洞最终形成共同晶粒，如 图9 图9 a所示； 图9 图9 c能谱分析结果直观地反映出各元素发生了扩散，C元素含量由U95CrWZ向U20MnWZ呈连续下降趋势，Mn、Cr元素含量呈连续上升趋势，表明焊缝金属界面发生了相互扩散，进而形成了良好的冶金结合。 2.2 　硬度试验 （a）近缝区　　　　　　　　　　　　　 （b）扫描方向　　　　　　　　　　　 （c）元素分布曲线 U20Mn/U95Cr气压焊焊接接头硬度试验结果如 图10 图10 所示，U95Cr侧平均硬度值为348 HB，各点硬度值相差不大；U20Mn侧平均硬度为378 HB，而U20MnWZ区域硬度值为500 HB，差异较大，这是由于U20MnWZ马氏体组织较多，而马氏体为硬脆相，其硬度值显著提高。 拉伸试验 2 1;2; 1;2;3;4; 焊接接头拉伸试验结果如 表5 表5 所示，拉伸断口形貌及断裂位置如 图11 图11 所示，红色虚线为焊缝（见 图11b） 图11b） ，断口由纤维区、放射区、剪切唇组成，呈塑性断口特征。接头断裂位置全部位于U95Cr侧热影响区（见 图11b） 图11b） ，存在明显的塑性变形，这是由于U95Cr侧热影响区晶粒发生一定程度的长大，进而软化所致，接头抗拉强度平均值为961 MPa，目前异种钢焊接性能尚无标准要求，参照TB/T1632.4《气压焊接》标准 ［ 11 11 ］ ，接近TB/T 1632.4标准 R m ≥980 MPa的要求，延伸率均值为8%，满足TB/T 1632.4标准 A ≥6%的要求，而未断于焊缝说明焊接界面处的抗拉强度大于该值，具有较高的结合强度。 joint 位置 编号 抗拉强度/MPa 延伸率/% 6 轨头 1 968 7.4 2 999 5.2 3 971 10.0 4 967 7.9 5 954 7.1 平均值 971.8 7.52 6 轨腰 6 946 8.4 7 945 7.2 8 946 8.4 9 951 7.5 10 987 10.2 平均值 955 8.34 5 轨底 11 945 7.6 12 955 6.9 13 946 7.9 14 971 10.3 平均值 954.3 8.18 2 总平均值 961 8 冲击试验 2 U20Mn/U95Cr气压焊接接头冲击试验结果如 表6 表6 所示，冲击试样的冲击功总平均值为4.1 J，未满足TB/T 1632.4标准 A KV ≥6.5 J的要求。接头冲击宏观断口为脆性断口（见 图12a） 图12a） ，图中a处为凹凸区，b处为平滑区，凹凸区面积所占比例为95%，平滑区面积所占比例为5%，凹凸区对应微观形貌见 图12c 图12c ，为典型的解理断裂形貌，平滑区对应微观形貌见 图12d 图12d ，为准解理断裂形貌，表明焊缝界面两侧材料发生了冶金结合。 位置 编号 冲击功 A KU /J 12 位置 编号 冲击功 A KU /J 10 轨头 1 4.0 5 轨腰 11 3.6 2 7.4 12 3.9 3 5.9 13 3.2 4 5.0 14 3.2 5 5.1 平均值 3.38 6 4.5 5 轨底 15 2.6 7 4.2 16 3.8 8 4.0 17 3.8 9 3.7 18 2.9 平均值 4.87 平均值 3.28 轨腰 10 3.0 2 总平均值 4.1 分析与讨论 1 气压焊作为塑性压力焊接，其冶金结合过程是在加热加压过程中发生界面的原子的互相扩散、显微孔洞消失，最终形成共同晶粒。结合试验结果可知，在非轨底脚部位（见 图9 图9 a），接头能够在焊缝处形成大量共同的细小晶粒，无显微孔洞，元素扩散均匀，表明在 表3 表3 工艺下能够实现U20Mn和U95Cr钢轨的冶金结合；但在轨底脚处，由落锤断口断面（见 图13 图13 ）可以看到，仅在轨底脚处发现了光斑缺陷，占整个断口面积的4%，而未见光斑缺陷的部位占整个断口面积的96%，进一步说明轨底脚部位较其余部位焊合情况较差。 而在焊缝及近缝区两侧的4个区域中，U95CrWZ较U95CrHAZ珠光体片层间距稍宽，会略微降低焊缝区域的各项力学性能；U20MnWZ受到C元素扩散的影响，主要由马氏体（66.2%）及贝氏体铁素体（33.8%）组成，马氏体含量较U20MnHAZ侧增多33%，会使U20MnWZ区域的强度和硬度升高，塑性和韧性降低，在金相硬度试验中可以看到U20MnWZ的硬度值最高为500 HB。在冲击试验中，接头平均冲击韧性较低为4.1 J，整个断口区域形貌为解理断裂与准解理断裂形貌结合，表明焊缝界面两侧材料发生了冶金结合；在拉伸时，由于高强度钢存在软化问题，热影响区的晶粒组织会发生一定程度长大，形成软化区，而本试验中拉伸试样断裂位置全部位于U95CrWZ区域，接头抗拉强度平均值961 MPa，延伸率8%，说明接头强度较U95CrWZ软化区更高。 结论 1 （1）采用文中的气压焊接工艺，能够实现75N U20Mn贝氏体钢和U95Cr过共析珠光体钢（占96截面面积）异种钢焊接，焊缝界面无冶金缺陷，接头特征可细分为U20Mn侧焊缝区和近缝区、U95Cr侧焊缝区和近缝区4个区域，C、Mn、Cr等元素固态下在焊缝区相互扩散，发生冶金结合，形成了大量共同的细小晶粒；但轨底脚（占4%截面面积）的焊合情况较接头其他部位差。 （2）U20MnWZ区域受到元素扩散的影响，较U20MnHAZ区域马氏体含量增多33%，组织主要由马氏体（66.2%）及贝氏体铁素体（33.8%）组成，其显微硬度最高为500 HB。 （3）接头焊缝部位冲击韧性4.1 J，断口区域形貌为解理断裂与准解理断裂形貌；接头强度平均值961 MPa，延伸率8%，断裂全部位于U95Cr侧HAZ区域。 参考文献 王俊 . 重载铁路轨道技术发展方向研究 ［J］. 建筑技术开发 ， 2019 ， 46 （ 04 ）： 116 - 117 . 重载铁路轨道技术发展方向研究 WANG J . 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