鋼軌核傷斷裂原因檢驗(yàn)分析

■ 邢麗賢　鄒定強(qiáng)　杜涵秋

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鋼軌核傷斷裂原因檢驗(yàn)分析

■ 邢麗賢鄒定強(qiáng)杜涵秋

摘 要：通過(guò)宏觀、微觀形貌觀察，金相、化學(xué)成分及低倍檢驗(yàn)，分析鋼軌核傷的斷裂性質(zhì)及斷裂原因。分析結(jié)果表明，鋼軌核傷斷裂為起源于軌頭內(nèi)部的橫裂型核傷，軌頭內(nèi)部存在白點(diǎn)缺陷，是導(dǎo)致形成軌頭內(nèi)部橫裂型核傷的主要原因。確定鋼軌核傷斷裂性質(zhì)及斷裂原因，可為預(yù)防此類傷損提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼軌核傷；斷裂；白點(diǎn)；橫裂型核傷；疲勞裂紋；金相組織

鋼軌核傷即鋼軌內(nèi)部疲勞裂紋，是指鋼軌內(nèi)部的制造缺陷（冶金缺陷、熱處理缺陷等）在運(yùn)行載荷作用下形成和擴(kuò)展的疲勞裂紋。當(dāng)內(nèi)部裂紋未擴(kuò)展到鋼軌表面，鋼軌斷口具有金屬光澤，一般稱為白核；當(dāng)內(nèi)部裂紋已擴(kuò)展到鋼軌表面，由于氧化腐蝕使斷口呈暗褐色，一般稱為黑核。目前根據(jù)軌頭內(nèi)部裂紋的形成位置、裂紋形狀及其擴(kuò)展特點(diǎn)，將鋼軌軌頭核傷分為軌頭縱橫裂型核傷和軌頭橫裂型核傷2種[1]。其中軌頭橫裂型核傷是危害性最大的傷損形式之一，已成為影響鐵路運(yùn)輸安全的主要傷損類型。

某線路鋼軌在通過(guò)貨物總質(zhì)量約680萬(wàn)t后，發(fā)生軌頭橫向核傷斷裂。線路曲線半徑800 m，坡度11.2‰，自鋪設(shè)起運(yùn)營(yíng)約1年3個(gè)月，通過(guò)貨物總質(zhì)量約680萬(wàn)t，核傷鋼軌為國(guó)產(chǎn)U71Mn 50 kg/m鋼軌，線路允許速度60 km/h[2]。通過(guò)對(duì)核傷斷裂鋼軌進(jìn)行斷口宏微觀形貌觀察，金相組織、化學(xué)成分及低倍檢驗(yàn)，確定鋼軌核傷斷裂性質(zhì)及斷裂原因，為預(yù)防此類傷損提供借鑒。

1　試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1宏觀觀察

送檢斷軌樣側(cè)面的宏觀形貌見(jiàn)圖1；斷口的宏觀形貌見(jiàn)圖2；軌頭斷口的宏觀形貌見(jiàn)圖3；裂紋源區(qū)及斷口的形貌特征見(jiàn)圖4。從圖2可見(jiàn)，裂紋源區(qū)位于軌頭中間部位，距踏面下約14 mm，呈蜂窩狀形貌，蜂窩狀斑痕直徑約4 mm；裂紋從軌頭中部蜂窩狀斑痕向軌頭側(cè)面、軌頭下顎和軌頭踏面疲勞擴(kuò)展，橫向疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口的寬度約62 mm、高度約49 mm，發(fā)生橫向脆性斷裂。軌頭裂紋源及斷口由裂紋源、疲勞斷口、疲勞臺(tái)階和脆性斷口組成，裂紋從軌頭向軌腰和軌底方向擴(kuò)展，軌腰和軌底斷口基本為脆性斷口形貌。

圖1　斷軌樣側(cè)面的宏觀形貌

圖2　斷口的宏觀形貌　

圖3　軌頭斷口的宏觀形貌

圖4　裂紋源區(qū)及斷口的形貌特征

1.2斷口微觀觀察

掃描樣斷口的宏觀形貌特征見(jiàn)圖5。對(duì)裂紋源及斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，掃描樣斷口及裂紋源區(qū)的低倍形貌特征見(jiàn)圖6；裂紋源區(qū)斷口的形貌特征放大見(jiàn)圖7；疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口的形貌特征放大見(jiàn)圖8；瞬斷區(qū)脆性斷口的形貌特征放大見(jiàn)圖9。觀察發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)斷口為穿晶準(zhǔn)解理斷口特征，有二次裂紋 （見(jiàn)圖6和圖7） ；疲勞擴(kuò)展區(qū)觀察到疲勞臺(tái)階、疲勞碾壓變形及疲勞擴(kuò)展弧線等疲勞擴(kuò)展形貌特征（見(jiàn)圖6和圖8） ；瞬斷區(qū)斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征（見(jiàn)圖9）。

1.3金相顯微組織觀察

在斷軌樣裂紋源區(qū)取縱向金相樣，金相磨面垂直于斷口且沿鋼軌縱向，裂紋源區(qū)整條裂紋的顯微組織形貌見(jiàn)圖10；裂紋源區(qū)裂紋的顯微組織形貌見(jiàn)圖11；裂紋尖端的顯微組織形貌見(jiàn)圖12；基體組織見(jiàn)圖13。圖10—圖12的裂紋源處金相組織正常，在裂紋源處觀察到一條長(zhǎng)約2.57 mm的沿鋼軌縱向裂紋，其為穿晶裂紋，兩側(cè)沒(méi)有氧化脫碳特征，組織為正常的基體組織；圖13的斷軌樣基體組織由珠光體加少量鐵素體組成。

1.4低倍檢驗(yàn)

對(duì)斷軌樣進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，軌頭橫斷面低倍檢驗(yàn)照片見(jiàn)圖14；軌頭縱斷面低倍檢驗(yàn)照片見(jiàn)圖15。在圖14中，軌頭中部存在數(shù)條微細(xì)裂紋，長(zhǎng)1～5 mm；在圖15中，有一條明顯的裂紋，靠近踏面一端，距踏面約8 mm，長(zhǎng)約20 mm，距斷口62～67 mm。

1.5化學(xué)成分

對(duì)斷軌樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，其化學(xué)成分符合GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中U71Mn的要求。斷軌樣化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5　掃描樣斷口的宏觀形貌特征

圖6　掃描樣斷口及裂紋源區(qū)低倍形貌特征

圖7　裂紋源區(qū)斷口的形貌特征放大

圖8　疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口的形貌特征放大

圖9　瞬斷區(qū)脆性斷口的形貌特征放大

圖10　裂紋源區(qū)整條裂紋的顯微組織形貌　

圖11　裂紋源區(qū)裂紋的顯微組織形貌

圖12　裂紋尖端的顯微組織形貌　

圖13　基體組織

圖14　軌頭橫斷面低倍檢驗(yàn)照片

圖15　軌頭縱斷面低倍檢驗(yàn)照片

表1　斷軌樣化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果　%

1.6力學(xué)性能

對(duì)斷軌樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，其中伸長(zhǎng)率為6.5%，低于技術(shù)條件要求（伸長(zhǎng)率A≥9%），表明斷軌樣鋼軌的力學(xué)性能不符合GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中U71Mn的要求。斷軌樣力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　斷軌樣力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

2　分析與討論

送檢斷軌樣裂紋源位于軌頭中間部位，宏觀呈蜂窩狀形貌，裂紋首先從軌頭中部的蜂窩狀斑痕分別向軌頭踏面、軌頭側(cè)面和軌頭下顎疲勞擴(kuò)展，當(dāng)橫向疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口達(dá)到一定面積時(shí)，裂紋向軌頭四周的鋼軌表面、軌腰和軌底方向快速擴(kuò)展，發(fā)生橫向脆性斷裂。送檢斷軌樣宏觀斷口由裂紋源、疲勞斷口和脆性斷口組成。

在掃描電鏡下，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)斷口為穿晶準(zhǔn)解理斷口特征，有二次裂紋；疲勞擴(kuò)展區(qū)觀察到疲勞臺(tái)階、疲勞碾壓變形及疲勞擴(kuò)展弧線等疲勞擴(kuò)展形貌特征；瞬斷區(qū)斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征。在斷軌樣裂紋源區(qū)取縱向金相樣，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋源處金相組織正常，在裂紋源處存在一條長(zhǎng)約2.57 mm的沿鋼軌縱向穿晶裂紋，裂紋兩側(cè)沒(méi)有氧化脫碳特征，組織為正常的基體組織；在鋼軌踏面附近觀察到碾壓變形顯微組織特征；斷軌樣的基體組織正常，由珠光體加少量鐵素體組成。斷軌樣化學(xué)成分檢驗(yàn)符合要求，力學(xué)性能檢驗(yàn)不符合要求，低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果如1.4低倍檢驗(yàn)所述。低倍中出現(xiàn)的裂紋應(yīng)是鋼中白點(diǎn)缺陷形成的發(fā)紋。

結(jié)合斷軌樣的化學(xué)分析、力學(xué)性能和低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋼軌斷口進(jìn)行的宏微觀分析表明，送檢斷軌樣的裂紋起源于軌頭內(nèi)部的橫裂型核傷，裂紋源位于踏面下約14 mm的軌頭內(nèi)部中間部位，裂紋源區(qū)域斷口宏觀呈蜂窩狀形貌特征，掃描形貌為準(zhǔn)解理形貌。結(jié)合在橫斷面及縱斷面低倍中發(fā)現(xiàn)的發(fā)紋形貌，分析認(rèn)為，裂紋源區(qū)即為鋼軌中的發(fā)紋，發(fā)紋的存在使軌頭內(nèi)部金屬分離形成軌頭內(nèi)部缺陷。在列車通過(guò)時(shí)，鋼軌受到輪軌動(dòng)彎應(yīng)力作用，在應(yīng)力作用下，裂紋從發(fā)紋處開(kāi)始萌生疲勞裂紋并向四周擴(kuò)展。由于白點(diǎn)缺陷的存在，使鋼軌的脆性增大，一旦開(kāi)始疲勞擴(kuò)展，疲勞裂紋擴(kuò)展速率很高，核傷會(huì)快速擴(kuò)展達(dá)到臨界斷裂尺寸進(jìn)而發(fā)生脆性斷裂。

白點(diǎn)是鋼中氫含量過(guò)高引起的氫致裂紋，是鋼軌不允許有的低倍缺陷。GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中6.6.2規(guī)定：鋼軌不得有白點(diǎn)。白點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致鋼軌在鋪設(shè)使用過(guò)程中發(fā)生疲勞斷裂和脆性斷裂，是嚴(yán)重危及行車安全的傷損，如鋼軌斷裂是白點(diǎn)造成的，應(yīng)將同爐號(hào)鋼軌全部更換。

3　結(jié)論

送檢斷軌樣的裂紋起源于軌頭內(nèi)部的橫裂型核傷，軌頭內(nèi)部存在白點(diǎn)缺陷，是導(dǎo)致形成軌頭內(nèi)部橫裂型核傷的主要原因。

4　參考文獻(xiàn)

[1] 鄒定強(qiáng)，楊其全，邢麗賢，等. 鋼軌失效分析與傷損圖譜[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[2] 邢麗賢，鄒定強(qiáng)，杜涵秋，等. 河白干線K18.312 km處鋼軌核傷斷裂原因檢驗(yàn)分析[R]. 北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2015.

[3] GB 2585—2007 鐵路用熱軋鋼軌[S].

邢麗賢：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，研究員，北京，100081

鄒定強(qiáng)：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，研究員，北京，100081

杜涵秋：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，研究實(shí)習(xí)員，北京，100081

責(zé)任編輯 盧敏

中圖分類號(hào)：TG26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2016）02-0071-03