第2卷第2期2023年4月高速铁路新材料AdvancedMaterialsofHighSpeedRailwayVol.2No.2April2023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：Adoi：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2500~3500℃[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...
