1、第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.2April 2 0 2 3钢轨铝热焊焊缝材料与母材力学性能对比分析张玉华1，李澳2，胡伟平2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.北京航空航天大学 固体力学研究所，北京 100191）摘要：铝热焊焊接工艺流程会使焊缝材料的力学性能发生改变，从而影响焊接接头的使用寿命，给列车的安全运行带来危害。根据实际焊接工艺设计了铝热焊接头，并从中取样，对比分析了母材和焊缝材料的静力性能、疲劳性能及裂纹扩展
2、性能。试验结果表明：焊缝材料的弹性模量、泊松比、屈服强度与母材较为接近，而塑性、抗拉强度和疲劳性能相比于母材均有不同程度的降低。通过金相试验发现铝热焊焊接工艺使重结晶的焊缝材料晶粒粗大、内部缺陷变多，从微观角度解释了焊缝力学性能降低的现象。研究结果可为钢轨铝热焊的设计与分析提供基础数据。关键词：钢轨；铝热焊；焊缝材料；母材；力学性能中图分类号：U214 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.015铝热焊是热剂焊的一种，其原理是利用还原剂和金属氧化物之间的氧化还原反应，短时间产生大量的热量，熔融母材，填充接头，从而实现金属焊接1。铝热焊由于操作
3、简单、焊接速度快、适合野外作业而被广泛应用于钢轨焊接工艺中2-3。铝热焊焊接过程涉及温度大范围变化，液态熔融金属的温度可高达2 5003 500 4。金属的相变、结晶等会对材料的微观组织产生影响，从而改变宏观力学性能5。同时，由于铝热焊自身的局限性以及焊接操作时的误差，在焊接接头中容易产生气孔、夹杂、热裂纹等微观缺陷6-8，这些微观缺陷会对焊缝的力学性能如静力性能、疲劳性能、裂纹扩展性能等产生较大影响，从而影响焊缝的使用寿命。国内外许多学者对钢轨铝热焊焊缝的力学性能做了研究。冯子凌等9研究了热处理对贝氏体钢轨以及珠光体钢轨铝热焊接头力学性能的影响，发现热处理后熔合界面附近的微观组织较好，接头的
4、抗拉强度提升，抗弯强度略有下降。Liu等10指出气孔、夹杂等焊缝缺陷会降低疲劳极限，导致潜在裂纹萌生点的局部应力集中，通过有限元仿真发现位于钢轨/焊接界面的脱粘夹杂物是具有最高局部应力集中的临界起始点，进一步指出铝热焊接头的横向疲劳裂纹首先出现在熔合线附近并朝向钢轨轨底生长，裂纹进一步沿着钢轨中最大剪应力方向扩展直至最终断裂。Barna等11通过试验研究了钢轨铝热焊接头热影响区对材料性能的影响。综上所述，由于铝热焊过程中温度场的影响引起焊接材料的相变、结晶等导致微观结构发生变化，进而影响宏观性能。因此，研究钢轨铝热焊焊缝材料与母材力学性能的差异，对于研究焊接钢轨的疲劳性能、裂纹扩展机理具有重要
5、意义，同时对于钢轨铝热焊的设计和使用也具有指导意义。首先根据实际焊接工艺设计并制备了铝热焊接头；然后分别制备了母材和焊缝材料的静力试样、疲劳试样和裂纹扩展试样，通过试验测试对比分析了母材和焊缝材料的静力性能、疲劳性能及裂纹扩展性能；最后通过金相试验，观察了母材和焊缝材料的微观组织差异。本研究有助于定量了解铝热焊焊缝与母材的力学性能差别，也可为铝热焊接头性能分析提供基础数据。1 试验材料及取样方法 本研究中钢轨型号为T60，母材主要成分为U75V，所采用的焊剂为施密特钢轨技术(昆山)有限公司生产的铝热焊焊剂Thermit S60/Z90。首先按照实际钢轨的文章编号：2097-0846（2023）
6、02007906收稿日期：20221227；修回日期：20230122基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2021YJ252）第一作者：张玉华（1977），男，副研究员，博士。E-mail：通信作者：胡伟平（1975），男，副教授，博士。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷焊接工艺制备了铝热焊接头试样，如图1所示。然后制取试验试样，包括静力拉伸试样、疲劳光滑试样、疲劳缺口试样和裂纹扩展试样，试样几何尺寸见图2图5。试样取样位置示意见图6。制备的铝热焊接头试样总长为270 mm，焊缝宽度约20 mm，位于长度的中间部位。将铝热焊接头试样平均分为 3段，每段 90 mm。焊缝材料的
7、试样均取自中间90 mm的一段，其中静力拉伸试样全部位于焊缝内，疲劳试样和裂纹扩展试样的有效试验段位于焊缝内。母材试样则取自两端90 mm段的中间部位，以保证试样的有效试验段远离焊缝区域。2 试验结果及分析 2.1焊缝材料与母材的静力性能对比分析一共进行了3件母材试样和4件焊缝试样的静力拉伸试验。图7中显示了焊缝和母材各1件试样的拉伸曲线。根据所有试验数据获得的母材和焊缝材料基本力学性能参数的平均值见表1。从图7和表1可以看到，母材与焊缝材料的弹性模量、泊松比以及屈服强度基本相同，但是焊缝材料的塑性和抗拉强度均远低于母材，这种塑性和强度的不匹配性会诱导焊趾区域裂纹的萌生与扩展，给列车的安全运行
8、带来危害。另外，本研究中焊缝材料的塑性略高于通常检验结果，这可能与实际焊接时的工艺偏差有关，本研究不进行深入对比分析。2.2焊缝材料与母材的高周疲劳性能对比分析将制备好的母材和焊缝材料高周疲劳光滑试样和缺口试样进行疲劳试验测试，疲劳试验的应力比为-1。母材和焊缝材料光滑试样和缺口试样的疲劳试验结果见图8，其中母材和焊缝材料的疲劳极限是通过升降法12测定得到。由图8可知，对于光滑试样，在图1铝热焊接头试样图2静力拉伸试样尺寸图（单位：mm）图3疲劳光滑试样尺寸图（单位：mm）图4疲劳缺口试样尺寸图（Kt=3）（单位：mm）图5裂纹扩展试验尺寸图（单位：mm）图6力学性能试验件的取样位置80第 2
9、 期张玉华等：钢轨铝热焊焊缝材料与母材力学性能与对比分析应力比为-1时，母材的疲劳极限为398 MPa，而焊缝材料的疲劳极限为267 MPa，远低于母材。对于缺口试样，母材和焊缝材料的疲劳试验结果与光滑试样有较大不同，从测试数据来看，母材和焊缝材料的疲劳性能较为接近，这可能是由于缺口的应力集中效应（Kt=3）成为主导材料疲劳性能的主要因素。在进行疲劳试验后，进一步对疲劳试样断口开展了电镜观察。图9、图10分别给出了母材与焊缝材料光滑试样与缺口试样的疲劳断口分析结果。对于光滑试样的疲劳断口，母材试样断口表现为单裂纹源，且位于试样表面，断口能够明显区分出裂纹源区、扩展区和瞬断区；而焊缝材料疲劳断口
10、表现为多疲劳裂纹源，起裂位置有的位于缺口表面，有的位于亚表面的缺陷位置，在多个主裂纹扩展区前端形成了多曲线汇合的边界，扩展区发现有较大的孔洞缺陷，同时瞬断区有较多平整断面，呈脆性断裂模式。对于缺口试样的疲劳断口，母材试样断口表现为多源起裂，并且由于缺口处的应力集中效应，起裂位置均位于缺口根部，由于多个裂纹同时扩展，导致缺口件疲劳裂纹扩展区基本为椭圆形；相比于母材，焊缝材料缺口试样的起裂位置更多，形成的疲劳裂纹扩展区更具有圆形特征。焊缝材料的裂纹源一部分是形成于缺口处应力集中部位，另一部分则是形成于近表面缺陷处。综上所述，对于光滑疲劳试样，大量的内部缺陷导致焊缝材料的疲劳性能明显弱于母材；而对于
11、缺口试样，疲劳裂纹起源对缺口应力集中更加敏感，因此，焊缝缺口试样疲劳性能相比于母材并没有明显降低，但焊缝材料的近表面缺陷仍会对裂纹萌生造成一定影响。2.3焊缝材料与母材的裂纹扩展性能测试与对比分析将制备好的裂纹扩展试样进行裂纹扩展性能测试，循环载荷的应力比为0.1。母材和焊缝材料在裂纹扩展到一定程度之后的裂纹扩展曲线见图11。根据试验曲线可以看出，在裂纹扩展的中期和后期阶段，图8母材和焊缝材料光滑试样和缺口试样的高周疲劳试验结果图7母材与焊缝材料的单轴拉伸应力应变曲线表1母材和焊缝材料的基本力学性能参数材料母材焊缝材料弹性模量/GPa245240泊松比0.3080.308屈服强度/MPa584
12、602抗拉强度/MPa1 004866图9母材与焊缝材料光滑试样疲劳断口分析81高速铁路新材料第 2 卷焊缝材料的裂纹扩展速率略快于母材。在同样的加载条件下，焊缝材料试样更快断裂。进一步对裂纹扩展试样的疲劳断口进行电镜观察，结果见图12。从图中可以看出，母材的起裂方式为多点起裂，这主要是由预制缺口处局部应力集中导致的。在裂纹扩展中期，扩展面比较平滑，呈均匀扩展模式，存在少量二次裂纹。在扩展后期存在很大的平整断面，有明显的二次裂纹，断裂模式为解理断裂，表现为撕裂形式的快速扩展。焊缝材料的扩展情况与母材基本类似，但是裂纹扩展面相对较粗糙，存在很多缺陷和大孔洞，同时扩展中期很不稳定，从晶粒内可以观察
13、到明显的扩展形成的疲劳辉纹，说明焊缝材料的裂纹扩展速率较快。综上所述，焊缝材料和母材的裂纹扩展性能相似，但焊缝材料内部大量的缺陷会加快中后期的裂纹扩展速率。2.4焊缝材料与母材的金相试验与对比分析为了进一步研究焊缝材料和母材力学性能差异的微观原因，对2种材料进行了金相试验，焊缝金相试样取自钢轨焊缝段的中间部位，母材金相试样取自钢轨两端90 mm段的中间部位，结果见图13。母材的晶粒尺寸在100 m左右，晶粒中和晶界处存在一些杂质，材料中存在少量孔洞。需要说明的是，本试验中母材夹杂物要比通常检验和相关文献中观察到的母材夹杂物多，这可能与钢轨原材料批次相关。焊缝材料的晶粒尺寸远大于母材，为5007
14、00 m，在晶粒中和晶界处存在大量明显的夹杂物以及孔洞。由此可见，由于铝热焊焊接热过程的影响，重结晶的焊缝材料晶粒粗大，同时存在大量的孔洞与夹杂，这正是焊缝材料塑性、抗拉强度和光滑试样的高周疲劳性能明显低于母材的微观原因。而对于缺口试样，由于材料对缺口应力集中的敏感程度占主要地位，此时材料微观组织的影响相对较小，因此，焊缝材料的高周疲劳性能和裂纹扩展性能只是略低于母材。图12母材与焊缝材料裂纹扩展试样断口电镜分析图10母材与焊缝材料缺口试样疲劳断口分析图11母材和焊缝材料的裂纹扩展曲线82第 2 期张玉华等：钢轨铝热焊焊缝材料与母材力学性能与对比分析3 结论 钢轨铝热焊焊接工艺过程会改变焊缝材
15、料的力学性能。首先制备了钢轨铝热焊接头，然后分别制备了母材和焊缝材料的静力拉伸试样、疲劳光滑试样、疲劳缺口试样以及裂纹扩展试样，通过试验对比分析了母材与焊缝材料的静力性能、疲劳性能以及裂纹扩展性能。得到主要结论如下：（1）由于铝热焊焊接热过程的影响，焊缝材料的塑性和抗拉强度相比于母材有明显下降，而弹性模量、泊松比和屈服极限两者几乎相同。（2）从高周疲劳试验结果可以看出，焊缝材料光滑试样的疲劳极限远低于母材，这主要是由于焊缝材料存在大量的内部缺陷，导致试样为多源起裂。而对于缺口试样，母材和焊缝材料的疲劳性能差别不大，这主要是由于材料对缺口处应力集中更为敏感，材料内部缺陷的影响相对弱化。（3）根据
16、裂纹扩展试验结果可知，母材与焊缝材料的裂纹扩展性能相似，断裂模式均为解理断裂。但由于焊缝材料内部存在夹杂与孔洞，其扩展中后期的扩展速率高于母材。（4）焊 缝 材 料 的 晶 粒 明 显 粗 大，尺 寸 为 500700 m，远大于母材晶粒尺寸（100 m）。同时，焊缝材料内部存在较多夹杂与孔洞。这些微观特征造成了焊缝材料的塑性、抗拉强度以及光滑试样的高周疲劳性能显著下降。而对于缺口试样的高周疲劳性能和裂纹扩展性能，由于材料对缺口应力集中的敏感程度占主要地位，此时材料微观组织的影响相对较小。参考文献：1 杜全斌，张肇伟.铝热焊接技术的开发与应用 J.农机使用与维修，2019（9）：24-27.2 蔡凯.铝热焊接接头的质量控制 J.工程建设与设计，2021（23）：184-186.3 王刚，王宇红.浅谈无缝线路钢轨现场焊接技术工艺 J.内蒙古科技与经济，2021（24）：88-89.4 王国章.铝热焊剂安全点火方式研究 J.中国金属通报，2021（5）：202-203.5 SARIKAVAK Y，TURKBAS O S，COGUN C.Influence of welding on mic
