钢轨使用后的表层组织与性能分析

赵秀娟，陈春焕，杨德新，于建英，董永红

(大连铁道学院材料科学与工程系，大连116028)

摘　要：对60U74普通钢轨使用后的表面变形层组织与性能进行了分析。结果表明，钢轨运行约3a(年)后，在其表面形成约40～70μm的白层，组织为过饱和碳的α2Fe，晶粒显著细化，达到40nm，同时钢轨表面的显微硬度比心部高2倍以上；次表面为变形的片状珠光体组织，片状碳化物发生碎化，硬度也有一定的提高。

关键词：钢轨；白层；纳米晶结构

1　引言

钢轨投入使用后，在钢轨表面和车轮接触部位呈现出肉眼可见的白色，该白色部位在侵蚀剂中不受侵蚀，故称为白层。对白层的形成原因目前还没有定论，一种观点认为白层的形成是高速列车区间由于车轮在钢轨踏面上打滑而造成的，但在极少发生打滑区段的钢轨表面同样存在白层。另一研究认为，高速列车区间钢轨表面形成白层，其组织为纳米结构[3，4]等。其研究多限于高速区间钢轨，而对普通速度区间钢轨研究甚少。本文就普通列车区间钢轨表面白层的形成机理、组织结构、显微硬度等进行了分析，为提高钢轨的使用寿命提供理论和试验依据。

2　试验材料和试验方法

试验材料选择沈大下行线，使用约3a的60U74普通钢轨，其化学成分(质量分数)见表1。用光学显微镜、XL30W/TMP扫描电镜、H2800透射电镜观察和分析钢轨表面白层的厚度、显微组织、晶粒尺寸等。用X射线衍射仪(PW1710型)对钢轨表面白层的相结构进行分析鉴定。其中，运行钢轨表面白层中的微晶尺寸和内应变按文献中介绍的方法进行测量和计算。用HX21型显微硬度计测试钢轨表面至心部的硬度分布。

3　试验结果

60U74普通钢轨使用前的显微组织为细珠光体。图1a是使用约3a的60U74普通钢轨表面形貌，其表面中心处呈现不连续分布的白亮色，这种白亮色就是钢轨使用后在表面所形成的白层。该白层厚约40～70μm，见图1b。钢轨表面的白层经硝酸酒精侵蚀后在光学显微镜和扫描电镜下呈白色，看不到组织形貌，见图1c。白层里侧是破碎和变形的珠光体组织，见图1d和e。

图2为钢轨表面和心部的X射线衍射谱线。用文献中采用的方法，以钢轨心部为标准对衍射谱线进行分析。得出钢轨的微晶尺寸为46nm，应变为2。27%。需要指出的是，在不同型号的X射线衍射仪和在不同参数下测试，即使是对原始试样，也未测出Fe3C的衍射峰。

图3是钢轨表面白层组织透射电镜形貌和选区电子衍射花样。由图3的显微组织可以进一步确认白层的组织为单相的α2Fe，且晶粒比较细小(选区电子衍射花样呈环状)。通过测量，α2Fe最细的晶粒约为40nm。

   (a)　使用后的钢轨表面形貌                                (b)　钢轨表面层

          (c)　表面白层                                (d)　破碎珠光体

(e)　变形珠光体

图1　钢轨表面层的组织形貌

图2　钢轨表面X射线衍射谱线

               (a)　明场像                           (b)　暗场像                  (c)　选区电子衍射花样

图3　钢轨表面白层组织的透射电镜形貌

钢轨表面到心部的硬度分布见图4。在钢轨表面至心部70μm处(即表面白层)其硬度分布随距表面距离的增大先升后降，变化幅度很大，最高硬度不在表面，而是在距表面40μm处，硬度约达800HV。白层里侧(距表面70～160μm)是珠光体塑性变形区，硬度为360HV左右。距表面160～240μm范围是珠光体未变形区，硬度为320HV左右，心部硬度为280HV左右。可见，白层的硬度比心部高2倍多。

图4　钢轨表面至心部的硬度分布

4　结果分析

德国G.Baumann等的研究认为，钢轨在高速区间使用后，在钢轨表面形成纳米级的硬化层，称之为白层，白层附近的晶粒尺寸约20nm。对白层的进一步分析结果表明，白层中有5%左右的残余奥氏体，从而推论白层的组织是准马氏体。

本文研究的是普通速度区间使用约3a的钢轨，在钢轨踏面形成约40～70μm厚的白层。经X射线衍射和透射电镜分析，白层的组织为α-Fe，没有发现残余奥氏体，白层中有约50nm的微晶形成。其研究结果与文献[1，3，4]有相同之处，不同之处是文献[3，4]中认为白层是马氏体和少量残余奥氏体，本文的研究结果认为，白层的组织为α-Fe。其原因可能是列车的运行速度不同所至。白层组织的形成特点和钢轨的使用状态有密切的关系，钢轨使用时，由于轮轨接触面间反复滑动摩擦，钢轨踏面的压应力不断增加，使得原始珠光体组织逐渐变形、破碎，珠光体中的渗碳体不断溶解，破碎的铁素体发生再结晶转变，而且再结晶只能在轮轨接触时温度升高的时间内进行，因为再结晶转变时间短，形核率高(塑性变形率高，见图1白层里侧珠光体变形层组织)，所以形成了纳米级的细小晶粒。另外，由硬度分析结果可知，钢轨白层硬度比心部高2倍多。白层硬度之所以很高，其主要原因是纳米晶粒的出现，晶界增多，晶界固溶的碳增加，晶界强化显著；其次是内应力增加。钢轨投入使用后，钢轨表面形成白层，白层显著硬化，可提高钢轨的耐磨性，但可能对钢轨耐疲劳磨损性能造成不利的影响。

5　结论

(1)对使用后的60U74钢轨表面形成的白层组织进行了分析。分析结果表明，运行约3a的钢轨，由表面至心部显微组织变化为，第一层为白层(约40～70μm)，第二层为珠光体变形层(约65～90μm)，第三层为珠光体未变形硬化层(约130μm)。

(2)白层显微硬度在距表面40μm处，硬度最高约达800HV，其比心部硬度高2倍多。

(3)通过X射线衍射、透射电镜形貌和选区电子衍射分析，确认白层的组织为过饱和碳的单相的α-Fe，晶粒显著细化，有纳米级晶粒形成，约40nm(衍射花样为环状)。