高強(qiáng)耐磨鋼軌接頭軟化區(qū)準(zhǔn)確測(cè)定方法研究

楊翰，戴虹，廖馬宏

摘要：針對(duì)高強(qiáng)耐磨鋼軌接頭軟化區(qū)如何在工地便捷準(zhǔn)確測(cè)定，以滿足TB/T1632 《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求的問(wèn)題，采用里氏硬度計(jì)、細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距的測(cè)試方法對(duì)60N U76CrRE鋼軌氣壓焊接頭硬度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：接頭軌頂面軟化區(qū)硬度均值比標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法降低15 HB （5%）;接頭硬度均值降低18 HB（5%），軟化區(qū)寬度變寬0.5～1.2 mm（4%～9%）;接頭縱斷面軟化區(qū)硬度均值降低1.1 HRC（3%），接頭硬度均值降低1.3 HRC（3%），軟化區(qū)變寬1～1.5 mm（7%～10%）;細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距法比標(biāo)準(zhǔn)方法更加準(zhǔn)確、便捷。

關(guān)鍵詞：鋼軌;焊接;軟化區(qū);硬度;測(cè)試方法

中圖分類號(hào)：TG806? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0075-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.14

0? ? 前言

隨著我國(guó)高速重載鐵路經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，無(wú)縫線路開(kāi)始被大規(guī)模采用，鋼軌焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)整體的硬度水平?jīng)Q定著接頭服役的耐磨性及使用壽命，關(guān)系著線路運(yùn)行的平順性和安全性，因此保證鋼軌接頭質(zhì)量至關(guān)重要。

鋼軌焊接接頭熱影響區(qū)中存在著軟化區(qū)[1-2]。現(xiàn)行測(cè)定、統(tǒng)計(jì)軟化區(qū)必須符合TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)[3]，準(zhǔn)確性測(cè)定問(wèn)題就顯得尤為重要，尤其是高強(qiáng)耐磨鋼軌這個(gè)問(wèn)題更為突出[4]。TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以焊縫為中心兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)接頭軌頂面采用布氏硬度計(jì)，測(cè)試點(diǎn)間距為7.5 mm;縱斷面（接頭大板試樣）的測(cè)試線1上采用洛氏硬度計(jì)，測(cè)試點(diǎn)間距為5 mm。由于該種測(cè)試方法的點(diǎn)間距較大，會(huì)遺漏部分硬度值更低的軟點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)量的軟化區(qū)寬度和硬度值與真實(shí)的軟化區(qū)寬度和硬度值有較大差異，從而影響接頭軟化區(qū)性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。為此，文中研究了一種可快速便捷、無(wú)損、準(zhǔn)確測(cè)定鋼軌接頭軌頂面及“ 細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距 ”的測(cè)試方法，并分析所測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法的差異，為現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損評(píng)價(jià)接頭軟化區(qū)性能提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇60N U76CrRE熱處理鋼軌，其母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

1.2 焊接設(shè)備及工藝

采用GPW-12000型氣壓焊軌機(jī)進(jìn)行焊接，其工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 兩種硬度測(cè)試方法

（1）第一種測(cè)試方法為標(biāo)準(zhǔn)法。

按照TB/T1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求包含軌頂面硬度和縱斷面硬度，測(cè)試點(diǎn)選取如圖1所示。

測(cè)試之前將接頭測(cè)試面打磨拋光至表面光整，采用5%硝酸酒精浸蝕表面呈現(xiàn)顏色深淺不同的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)法（見(jiàn)圖1）標(biāo)注的熱影響區(qū)與母材交界線并不準(zhǔn)確，實(shí)際交界線在BC線位置處。

采用HB-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)量軌頂面硬度，試驗(yàn)條件為HBW10/3 000[6]。測(cè)試點(diǎn)見(jiàn)圖1a。計(jì)算時(shí)以AB與CD之間的硬度均值為母材硬度（Hp）;以BC之間的硬度均值為接頭硬度（Hj）;以BC之間低于0.9Hp的區(qū)域?yàn)檐淈c(diǎn)硬度均值（Hj1）;將所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)軸上繪制成硬度曲線散點(diǎn)圖，將硬度值低于0.9Hp的寬度作為軟化區(qū)寬度（w）。

采用HV-30型維氏硬度計(jì)測(cè)量縱斷面硬度，試驗(yàn)力為294.2 N[7]。測(cè)試點(diǎn)見(jiàn)圖1b?？v斷面硬度測(cè)試取大板試樣，測(cè)點(diǎn)在大板試樣測(cè)試線1上選取。以焊縫為中心向左右兩側(cè)對(duì)稱分布，測(cè)點(diǎn)間距標(biāo)準(zhǔn)為5 mm。其母材硬度均值、接頭硬度均值、軟化區(qū)硬度均值、軟化區(qū)寬度均與軌頂面硬度計(jì)算方法相同。

（2）第二種測(cè)試方法為細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距（增加數(shù)據(jù)樣本，減小測(cè)量誤差法）。采用便攜式里氏硬度計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)法的基礎(chǔ)上細(xì)化軟化區(qū)及附近測(cè)試點(diǎn)選取距離，增加測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本。接頭軌頂面硬度標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定點(diǎn)間距為7.5 mm，兩點(diǎn)之間可能會(huì)存在硬度值更低的區(qū)域，因此可能會(huì)使測(cè)得的軟化區(qū)硬度值偏高，軟化區(qū)寬度不真實(shí)準(zhǔn)確。由于里氏硬度計(jì)硬質(zhì)合金小球的直徑為1 mm，為便于細(xì)化后的點(diǎn)間距與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)間距比較，將軟化區(qū)測(cè)點(diǎn)間距定為2.5 mm，同時(shí)在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置測(cè)量5次（5次測(cè)量均在該點(diǎn)的豎向上移動(dòng)1 mm），去掉最大值和最低值，求取平均值，以便降低測(cè)量誤差，最大程度地找出更多的軟化點(diǎn)，使結(jié)果更接近軌頂面硬度的真實(shí)情況，真實(shí)準(zhǔn)確地反映接頭熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)[8]。

同理，接頭縱斷面軟化區(qū)硬度測(cè)定也采用細(xì)化測(cè)量點(diǎn)間距?？v斷面硬度測(cè)量采用HVS-30數(shù)顯維氏硬度計(jì)，選取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm共5種間距測(cè)試點(diǎn)方式。這5種取點(diǎn)方式中，5 mm硬度檢測(cè)點(diǎn)間距的個(gè)數(shù)最少，1 mm硬度檢測(cè)點(diǎn)間距的個(gè)數(shù)最多。試驗(yàn)點(diǎn)間距越小，越能準(zhǔn)確反映接頭硬度的真實(shí)情況，避免遺漏軟點(diǎn)，且不會(huì)增加檢測(cè)的操作難度。細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距測(cè)試方法的硬度測(cè)試點(diǎn)分布如圖2所示，測(cè)試設(shè)備如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭熱影響區(qū)硬度和組織

鋼軌接頭熱影響區(qū)是指在焊接過(guò)程中由于焊接熱循環(huán)作用，母材的性能和組織發(fā)生改變形成的區(qū)域，由熔合區(qū)、過(guò)熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）和不完全重結(jié)晶區(qū)組成。軟化區(qū)是熱影響區(qū)中硬度低于母材硬度90%的區(qū)域。鋼軌焊接接頭軌頂面熱影響區(qū)宏觀形貌如圖4所示。母材到焊縫的硬度分布及其對(duì)應(yīng)區(qū)域的顯微組織如圖5所示（電子顯微鏡放大倍數(shù)5 000倍），圖中所示為接頭動(dòng)端部分，靜端變化趨勢(shì)以及顯微組織成分與動(dòng)端相似。由圖5可知，母材到焊接熱影響區(qū)硬度先下降后上升，然后上升到硬度最高的接頭硬化區(qū)域，再到焊縫。

2.2 接頭硬度測(cè)試結(jié)果

由于鋼軌服役磨損主要發(fā)生在軌頂面，故文中主要分析軌頂面硬度規(guī)律，縱斷面硬度規(guī)律同理。對(duì)60N U76CrRE熱處理鋼軌進(jìn)行軌頂面硬度測(cè)試試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)得其硬度值如表3所示。

采用細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距方法，以2.5 mm間距測(cè)試正火態(tài)的3個(gè)焊接接頭B0048、B0049、B0050的軌頂面硬度，其結(jié)果如表4所示。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，繪制接頭軌頂面硬度曲線如圖6所示。

由表4和圖6可知，細(xì)化測(cè)試方法的接頭平均硬度和軟化區(qū)的平均硬度均不同程度下降。統(tǒng)計(jì)細(xì)化測(cè)試方法增加的硬度測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算均值，記為Hz，與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得的軟點(diǎn)硬度均值Hj1進(jìn)行比較，如果細(xì)化點(diǎn)的均值大于標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量的軟點(diǎn)均值，則認(rèn)為該處軟點(diǎn)的大致范圍在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果之上，反之接頭軟化區(qū)均值的水平就要降低。接頭硬度真實(shí)值也要降低，細(xì)化軟點(diǎn)均值比如表5所示。

由表5可知，在B0048和B0050細(xì)化之后，細(xì)化測(cè)點(diǎn)法與標(biāo)準(zhǔn)方法所測(cè)得的平均軟點(diǎn)比值接近1，認(rèn)為B0048和B0050的硬度值更接近真實(shí)情況;B0049在增測(cè)點(diǎn)中出現(xiàn)了新的波動(dòng)范圍較大的軟點(diǎn)值，此接頭的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值可能與真實(shí)情況有一定差距，從圖6b可以清晰看到，細(xì)化硬度檢測(cè)點(diǎn)間距過(guò)后的軟點(diǎn)低值點(diǎn)較標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的更低，找出了可能遺漏的軟點(diǎn)，整個(gè)焊接接頭的硬度均值下降。

縱斷面硬度測(cè)試試驗(yàn)和軌頂面硬度測(cè)試試驗(yàn)原理大致相同。60N U76CrRE熱處理鋼軌取大板試樣進(jìn)行縱斷面硬度測(cè)試試驗(yàn)。選擇軌頂面硬度細(xì)化測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大的B0049接頭進(jìn)行試驗(yàn)。將接頭軟化區(qū)域選取細(xì)化至取1～5 mm間距硬度測(cè)試點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知，縱斷面硬度規(guī)律與軌頂面硬度規(guī)律相似，測(cè)試點(diǎn)細(xì)化程度越高，接頭軟點(diǎn)的均值越低。根據(jù)細(xì)化法數(shù)據(jù)繪制硬度曲線分布如圖7所示。由圖7可知，測(cè)點(diǎn)間距越短，圖形越光滑，能表達(dá)的接頭情況越準(zhǔn)確，對(duì)于細(xì)化點(diǎn)間距找出的硬度過(guò)低的點(diǎn)（低于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)），需重新評(píng)估接頭質(zhì)量。

2.3 軟化區(qū)測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)中定義軟化區(qū)寬度w為硬度值低于母材硬度90%以下的區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)量的硬度點(diǎn)可能會(huì)遺漏部分硬度值低于母材90%的點(diǎn)，造成實(shí)際的硬度曲線比較陡，導(dǎo)致真實(shí)軟化區(qū)寬度不準(zhǔn)確。根據(jù)細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距法測(cè)出接頭B0049～B0050軌頂面硬度值，作出硬度曲線，計(jì)算出各接頭軟化區(qū)寬度結(jié)果如表7所示。接頭B0049縱斷面細(xì)化軟化區(qū)數(shù)據(jù)如表8所示。

由表7、表8可知，采用細(xì)化法得到的軟化區(qū)寬度有不同程度的變寬，誤差值最高可達(dá)10.5%。因此，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法對(duì)接頭熱影響區(qū)尤其是軟化區(qū)的測(cè)試結(jié)果較為粗放，精度不如細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距測(cè)試法準(zhǔn)確度高。

3 結(jié)論

（1）鋼軌氣壓焊接頭的熱影響區(qū)中包含有硬化區(qū)和軟化區(qū)。采用里氏硬度計(jì)和細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距檢測(cè)法，所獲得的軟化區(qū)軟點(diǎn)硬度數(shù)據(jù)樣本增多，其軟化區(qū)寬度、硬度平均值、最軟點(diǎn)硬度值與TB/T1632標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟化區(qū)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)法數(shù)值相比較，結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（2）采用里氏硬度計(jì)、細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距檢測(cè)法，所獲得的60N U76CrRE鋼軌氣壓焊接頭軌頂面軟化區(qū)硬度均值比標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法平均值降低15 HB（5%）;接頭硬度平均值降低18 HB（5%），軟化區(qū)寬度變寬0.5～1.2 mm（4%～9%）;縱斷面軟化區(qū)硬度平均值降低1.1 HRC （3%），接頭平均硬度值降低1.3 HRC（3%），軟化區(qū)變寬1～1.5 mm （7%～10%）。

（3）采用里氏硬度計(jì)、細(xì)化測(cè)點(diǎn)間距檢測(cè)法，能在工地?zé)o損準(zhǔn)確地測(cè)定鋼軌接頭軌頂面硬度，且快速便捷，建議納入標(biāo)準(zhǔn)推廣使用。

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