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摘 要：某项目中服役钢轨闪光焊焊接接头经探伤检测出存在内部缺陷，本文分析缺陷形成原因以避免类似安全隐患，对钢轨母材和焊接接头进行取样，采用SEM、金相、硬度等分析方法，对缺欠焊接接头的断口微观形貌、金相组织、硬度及夹杂物进行了分析。结果发现：内部缺欠为一处灰斑引起的核伤；母材局部含有超标的非金属夹杂物；在正常的焊接工艺条件下，该母材所形成的焊接接头质量不稳定，不能满足使用要求。
关键词：焊接接头；灰斑，扫描电镜
某项目使用U75V（热轧状态）钢轨，采用UN5-150G焊机、脉动闪光焊工艺进行闪光焊焊接成无缝长轨。上道服役后，探伤发现一批焊接接头存在内部缺欠。针对这一工程问题，本文对该批缺陷接头进行取样，通过多种试验方法分析缺陷出现的原因，以避免类似的安全隐患。
1 试验条件和设备
试验材料为U75V。本文采用JSM 6490LV型电子显微镜对断口的围观形貌进行观察，采用GX40型金相显微镜对金相组织及夹杂物进行观察，采用HV-10型维氏硬度计对试验钢轨的硬度进行测量。
2 试验结果
2.1 断口宏观及微观形貌
2.1.1 断口宏观形貌
探伤发现缺欠位于接头的内部，将接头开口后进行静弯得到断口。观察图中的宏观断口可见在轨头部位存在一块缺欠，该缺欠心部呈灰色，边缘平滑光亮，面积为8mm×4mm，如图1。
2.1.2 微观形貌
采用扫描电镜对断口进行观察，如图2，从图中能观察到钢轨轨头的缺欠由两个形貌明显不同的区域组成：A区域与B区域。将缺欠与常见灰斑（图 3，该灰斑钢轨为U75V材质，落锤断口）进行对比分析。A区与B区之间存在明显的分界C，如图4（a），灰斑边界处C’ 如图4（b）。可见缺欠心部A区域覆盖有黑色物质，与图4所示灰斑心部D’区域相似。放大图像观察两种黑色物质均呈现熔融态，见图4（c）及图4（d）。
图1 缺欠宏观形貌 图2 缺欠微观形貌
图3 常见灰斑微观形貌
（a） （b）
（c） （d）
（a） 缺欠A区域与B区域分界处C （b） 灰斑边界处C’
（c） 缺欠D区域熔融夹杂物高倍形貌 （d） 灰斑D’区域熔融夹杂物高倍形貌
图4 缺欠及微观形貌
缺欠分界C处为解理形貌，灰斑C’处则为韧窝形貌。另一处不同的是在缺欠B区出现疲劳台阶，灰斑边界外无疲劳台阶，而是落锤引起的解理形貌。
2.2 能谱
能谱测得缺欠心部（A区域）的黑色物质含超标[1]的Si（25.27%）、Mn（5.75%）元素；缺欠的B区域同样含有超标的Si（1.14%）、Mn（1.58%）元素，；可见缺欠所含夹杂物类型为Si、Mn的氧化夹杂。灰斑夹杂物同样为Si（38.23%）、Mn（25.83%）元素的氧化夹杂物[2]。
可见，缺欠心部A区域与常见灰斑心部的形貌和夹杂物类型都相同，均为Si、Mn元素的氧化夹杂物；缺欠C区域与灰斑C’区域的形貌不同，原因为缺欠钢轨的韧性（呈解理形貌）较灰斑钢轨的韧性（呈韧窝形貌）差；缺欠边缘平滑光亮处为疲劳台阶，说明缺欠钢轨在服役过程中出现了疲劳扩展，在静弯试验中断裂，疲劳扩展停止，出现了疲劳扩展区外边缘的解理断口，而灰斑钢轨在服役过程中还未出现疲劳扩展，则进行了落锤试验，断裂后出现C’区域外的解理断口。
综上，轨头缺欠实际是一处核伤，缺欠心部为一块灰斑，在服役过程中该灰斑引起钢轨疲劳扩展而出现核伤。
2.3 断口金相及夹杂物分析
2.3.1金相
金相显示，缺欠、焊缝、母材的组织均为正常的珠光体组织。
2.3.2 夹杂物评级
按照测定标准[3]对钢轨焊接接头及母材进行非金属夹杂物评级。钢轨母材的非金属夹杂物等级为C3s，即最恶劣视场存在细系超尺寸硅酸盐夹杂物，焊缝处最恶劣视场存在D类环状氧化物等级为D1。
2.4硬度
对缺欠，正常焊缝、近缝区及母材的硬度进行测试，见图5。从图中可见闪光焊焊缝及脱碳层，缺欠位于焊缝脱碳层处。母材平均硬度为3335.47HV，焊缝平均硬度为259.78 HV，近缝区平均硬度为306.32 HV，缺欠处平均硬度为298.80 HV。由此可见钢轨母材的平均硬度最高，焊缝平均最低。母材整体硬度分布均匀，焊缝整体硬度分布均匀，近缝区306.32/（289.17～313.68）HV有较小波动，缺欠处298.80/（248.84～331.38）HV波动较大。
3 结论
1、钢轨焊接接头断口处的缺欠实质为一处核伤，缺欠心部为一块灰斑，主要含Si、Mn氧化物及硅酸盐，在服役过程中，灰斑引起了疲劳扩展。
2、钢轨母材最恶劣视场存在超尺寸硅酸盐夹杂物，等级为细系C3s；母材钢轨的夹杂物超标。在正常的焊接工艺条件下，该母材所形成的焊接接头品质不稳定，不能满足使用要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国标准.GB2585-2007铁路用热轧钢轨[S].
[2] 邹定强，杨其全，卢观健等.钢轨失效分析和损伤图谱[M].北京：中国铁道出版社，2010.6：24.
[3] 中华人民共和国标准.GB10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法[S].
作者简介：周红梅（1986—），女，四川成都，助教，硕士；研究方向：材料成型及控制工程。
关键词：焊接接头；灰斑，扫描电镜
某项目使用U75V（热轧状态）钢轨，采用UN5-150G焊机、脉动闪光焊工艺进行闪光焊焊接成无缝长轨。上道服役后，探伤发现一批焊接接头存在内部缺欠。针对这一工程问题，本文对该批缺陷接头进行取样，通过多种试验方法分析缺陷出现的原因，以避免类似的安全隐患。
1 试验条件和设备
试验材料为U75V。本文采用JSM 6490LV型电子显微镜对断口的围观形貌进行观察，采用GX40型金相显微镜对金相组织及夹杂物进行观察，采用HV-10型维氏硬度计对试验钢轨的硬度进行测量。
2 试验结果
2.1 断口宏观及微观形貌
2.1.1 断口宏观形貌
探伤发现缺欠位于接头的内部，将接头开口后进行静弯得到断口。观察图中的宏观断口可见在轨头部位存在一块缺欠，该缺欠心部呈灰色，边缘平滑光亮，面积为8mm×4mm，如图1。
2.1.2 微观形貌
采用扫描电镜对断口进行观察，如图2，从图中能观察到钢轨轨头的缺欠由两个形貌明显不同的区域组成：A区域与B区域。将缺欠与常见灰斑（图 3，该灰斑钢轨为U75V材质，落锤断口）进行对比分析。A区与B区之间存在明显的分界C，如图4（a），灰斑边界处C’ 如图4（b）。可见缺欠心部A区域覆盖有黑色物质，与图4所示灰斑心部D’区域相似。放大图像观察两种黑色物质均呈现熔融态，见图4（c）及图4（d）。
图1 缺欠宏观形貌 图2 缺欠微观形貌
图3 常见灰斑微观形貌
（a） （b）
（c） （d）
（a） 缺欠A区域与B区域分界处C （b） 灰斑边界处C’
（c） 缺欠D区域熔融夹杂物高倍形貌 （d） 灰斑D’区域熔融夹杂物高倍形貌
图4 缺欠及微观形貌
缺欠分界C处为解理形貌，灰斑C’处则为韧窝形貌。另一处不同的是在缺欠B区出现疲劳台阶，灰斑边界外无疲劳台阶，而是落锤引起的解理形貌。
2.2 能谱
能谱测得缺欠心部（A区域）的黑色物质含超标[1]的Si（25.27%）、Mn（5.75%）元素；缺欠的B区域同样含有超标的Si（1.14%）、Mn（1.58%）元素，；可见缺欠所含夹杂物类型为Si、Mn的氧化夹杂。灰斑夹杂物同样为Si（38.23%）、Mn（25.83%）元素的氧化夹杂物[2]。
可见，缺欠心部A区域与常见灰斑心部的形貌和夹杂物类型都相同，均为Si、Mn元素的氧化夹杂物；缺欠C区域与灰斑C’区域的形貌不同，原因为缺欠钢轨的韧性（呈解理形貌）较灰斑钢轨的韧性（呈韧窝形貌）差；缺欠边缘平滑光亮处为疲劳台阶，说明缺欠钢轨在服役过程中出现了疲劳扩展，在静弯试验中断裂，疲劳扩展停止，出现了疲劳扩展区外边缘的解理断口，而灰斑钢轨在服役过程中还未出现疲劳扩展，则进行了落锤试验，断裂后出现C’区域外的解理断口。
综上，轨头缺欠实际是一处核伤，缺欠心部为一块灰斑，在服役过程中该灰斑引起钢轨疲劳扩展而出现核伤。
2.3 断口金相及夹杂物分析
2.3.1金相
金相显示，缺欠、焊缝、母材的组织均为正常的珠光体组织。
2.3.2 夹杂物评级
按照测定标准[3]对钢轨焊接接头及母材进行非金属夹杂物评级。钢轨母材的非金属夹杂物等级为C3s，即最恶劣视场存在细系超尺寸硅酸盐夹杂物，焊缝处最恶劣视场存在D类环状氧化物等级为D1。
2.4硬度
对缺欠，正常焊缝、近缝区及母材的硬度进行测试，见图5。从图中可见闪光焊焊缝及脱碳层，缺欠位于焊缝脱碳层处。母材平均硬度为3335.47HV，焊缝平均硬度为259.78 HV，近缝区平均硬度为306.32 HV，缺欠处平均硬度为298.80 HV。由此可见钢轨母材的平均硬度最高，焊缝平均最低。母材整体硬度分布均匀，焊缝整体硬度分布均匀，近缝区306.32/（289.17～313.68）HV有较小波动，缺欠处298.80/（248.84～331.38）HV波动较大。
3 结论
1、钢轨焊接接头断口处的缺欠实质为一处核伤，缺欠心部为一块灰斑，主要含Si、Mn氧化物及硅酸盐，在服役过程中，灰斑引起了疲劳扩展。
2、钢轨母材最恶劣视场存在超尺寸硅酸盐夹杂物，等级为细系C3s；母材钢轨的夹杂物超标。在正常的焊接工艺条件下，该母材所形成的焊接接头品质不稳定，不能满足使用要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国标准.GB2585-2007铁路用热轧钢轨[S].
[2] 邹定强，杨其全，卢观健等.钢轨失效分析和损伤图谱[M].北京：中国铁道出版社，2010.6：24.
[3] 中华人民共和国标准.GB10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法[S].
作者简介：周红梅（1986—），女，四川成都，助教，硕士；研究方向：材料成型及控制工程。