鋼軌軌頭縱橫裂型核傷的形成原因

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

0 引 言

鋼軌是鐵路軌道的重要組成部件，其主要功能為引導(dǎo)機(jī)車車輛的車輪前進(jìn)，同時(shí)承載車輪的作用力并將力傳遞到軌枕上。鋼軌的工作環(huán)境十分苛刻，承受著壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、輪軌接觸應(yīng)力、側(cè)向力等復(fù)雜的工作應(yīng)力。隨著我國鐵路中既有線提速、重載和高速鐵路的發(fā)展，對(duì)鋼軌使用性能的要求越來越高，同時(shí)也使得鋼軌容易出現(xiàn)傷損。鋼軌傷損會(huì)影響行車的平穩(wěn)性和舒適性，嚴(yán)重時(shí)還可能造成鋼軌斷裂，直接危及行車安全。鋼軌傷損已成為全球性的技術(shù)難題，僅歐盟每年由鋼軌傷損所造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)20億歐元。為了更好地分析鋼軌傷損原因，降低其不良影響，國際鐵路聯(lián)盟(UIC)把“鋼軌傷損管理”列為第一個(gè)全球聯(lián)合研究項(xiàng)目[1]，中國也是該項(xiàng)目參與成員之一。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，鋼軌軌頭核傷已成為影響鐵路運(yùn)輸安全的主要傷損類型之一[2]。軌頭核傷是指在運(yùn)行載荷作用下在鋼軌軌頭內(nèi)部的制造缺陷(如冶金缺陷、熱處理缺陷等)處形成和發(fā)展的疲勞裂紋或脆性裂紋。根據(jù)軌頭核傷的裂紋形貌，可將軌頭核傷分為軌頭縱橫裂型核傷和軌頭橫裂型核傷兩類。其中，軌頭縱橫裂型核傷是指同時(shí)存在縱向和橫向疲勞裂紋的一種核傷，其傷損形態(tài)具有一定的特殊性，對(duì)現(xiàn)場鋼軌探傷和鐵路安全運(yùn)行具有顯著的影響。

某一鐵路中鋪設(shè)于半徑為600 m曲線上股的鋼軌經(jīng)現(xiàn)場探傷后，發(fā)現(xiàn)軌頭存在平面尺寸約12 mm×14 mm的核傷，傷損鋼軌為60 kg·m-1、U75V熱軋鋼軌，傷損鋼軌通貨總質(zhì)量約1.5×108t。為了預(yù)防因軌頭縱橫裂型核傷所造成的失效事故，作者對(duì)該傷損鋼軌軌頭縱橫裂型核傷的形成原因進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

在傷損軌頭位置截取一段鋼軌，用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)傷損部位進(jìn)行壓斷，軌頭斷口宏觀形貌如圖1所示，可見傷損部位(箭頭所示)在鋼軌行車邊軌距角下側(cè)，距離踏面的深度約為9 mm，傷損沿鋼軌縱向分布，且裂紋前端局部已開始沿鋼軌橫向擴(kuò)展。用鋸切法將縱向斷口完全切開，打開后斷口的宏觀形貌見圖2。由圖2可知：斷口上存在明顯的縱向水平疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展長度約40 mm，寬度約25 mm；根據(jù)疲勞弧線的收斂方向可以確定裂紋源為斷口中間的條狀白亮位置(如箭頭所示)；條狀裂紋源呈凹坑狀，具有一定的金屬光澤，長度約為5 mm，平行于軌距角表面。由于軌頭內(nèi)部疲勞裂紋已擴(kuò)展到軌頭側(cè)面，斷口中部分區(qū)域被氧化銹蝕成黃褐色，因此根據(jù)TB/T 1778—2010可判斷出該斷口屬于鋼軌核傷中的“黑核”斷口。由斷口的宏觀形貌可知，該傷損為起源于軌頭內(nèi)部的縱橫裂型核傷。

圖1 壓斷后軌頭斷口的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fracture of rail head after bending

1.2 SEM形貌

用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)縱向疲勞斷口中的條狀裂紋源進(jìn)行觀察。由圖3可知：斷口上有清晰的疲勞弧線，疲勞弧線從條狀裂紋源向兩側(cè)擴(kuò)展；條狀裂紋源中存在條狀?yuàn)A雜物，夾雜物寬約50 μm，呈白亮色，部分夾雜物發(fā)生脫落，導(dǎo)致裂紋源呈凹坑狀。

圖3 沿裂紋打開后軌頭斷口中條狀裂紋源的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the strip crack source in the fracture of the rail head after opening cracks: (a) at low magnification and (b) at high magnification

1.3 斷口成分

采用牛津X-max型能譜分析儀(EDS)對(duì)斷口中的條狀裂紋源及其附近區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析。圖4(a)為EDS分析的微區(qū)位置,其中位置1和位置2位于條狀裂紋源處，位置3位于斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)中。由圖4可知：條狀裂紋源中的白亮組織(位置1和位置2)為非金屬夾雜物，主要包括氧、鋁、硅、鈣等元素，其中部分區(qū)域的鋁元素含量高達(dá)20%以上，遠(yuǎn)高于硅、鈣元素的含量，這說明該非金屬夾雜物主要為氧化鋁，以及少量硅酸鹽；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(位置3)的主要成分為鐵、錳元素，與鋼軌母材的成分一致。

圖4 軌頭斷口的EDS分析位置和EDS譜Fig.4 EDS analysis position (a) and EDS spectrum (b-d) of the fracture of the rail head: (b) position 1; (c) position 2 and (c) position 3

1.4 顯微組織

由于裂紋源的縱向夾雜物金相試樣不易制作，在條狀裂紋源中間位置截取金相試樣，采用Leica-DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察裂紋源橫截面的微觀形貌。

由圖5可知：條狀裂紋源的橫截面呈凹坑狀，這是由疲勞斷裂過程中夾雜物脫落形成的；凹坑底部分布著大小不一的深灰色非金屬夾雜物，同時(shí)夾雜物周圍還存在許多細(xì)小的裂紋，部分裂紋向軌頭心部擴(kuò)展；在斷口附近其他區(qū)域也存在多處非金屬夾雜物，其中一處夾雜物在橫截面方向的長度為70 μm，由于非金屬夾雜物基本沿鋼軌縱向分布，因此該長度應(yīng)遠(yuǎn)小于夾雜物的實(shí)際尺寸。

圖5 軌頭斷口條狀裂紋源的橫截面形貌及斷口其他區(qū)域中非金屬夾雜物的形貌Fig.5 Cross-section morphology of the strip crack source (a) and morphology of non-metallic inclusion in other area (b) of the fracture of the rail head

1.5 化學(xué)成分

按照TB/T 2344-2012,在傷損鋼軌軌頭截取試樣，采用ARL-4460型真空直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知，傷損鋼軌的化學(xué)成分符合U75V鋼的技術(shù)要求。

1.6 拉伸性能

按照GB/T 228.1-2010,在傷損鋼軌軌頭上截取拉伸試樣，試樣的直徑為10 mm，標(biāo)距為50 mm，

表1 傷損鋼軌的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of the damaged rail (mass) %

在MTS Landmark型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由表2可知，該傷損鋼軌的拉伸性能符合U75V熱軋鋼軌的技術(shù)要求。

表2 傷損鋼軌的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the damaged rail

2 核傷類型與形成原因

縱橫裂型核傷的傷損特點(diǎn)：先在軌頭內(nèi)部形成與踏面平行的縱向疲勞裂紋，然后擴(kuò)展為橫向疲勞裂紋；在核傷初期或“白核”的縱向疲勞裂紋斷口處可以觀察到條狀裂紋源和起源于條狀裂紋源的疲勞弧線等；在核傷后期或“黑核”的縱向疲勞斷口處通常觀察不到疲勞弧線和條狀裂紋源，此時(shí)縱向疲勞斷口主要呈輾壓變形形貌；條狀裂紋源一般位于距踏面5～12 mm深的位置，同時(shí)平行于踏面；橫向疲勞裂紋起源于縱向疲勞裂紋處，并向軌底和軌頭側(cè)面方向擴(kuò)展。因此，結(jié)合上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼軌軌頭的傷損為起源于軌頭內(nèi)部的縱橫裂型核傷，但由于橫向疲勞裂紋還未來得及完全擴(kuò)展，使得大部分?jǐn)嗫诰鶠榭v向疲勞裂紋。疲勞裂紋源為沿鋼軌縱向分布的條狀非金屬夾雜物，長度約為5 mm，位于距踏面9 mm處。

縱橫裂型核傷的形成原因是在距踏面一定深度的輪軌接觸剪應(yīng)力分布區(qū)存在沿鋼軌軋制方向分布的非金屬夾雜物(鏈狀氧化鋁或粗大的硅酸鹽等)，在列車通過時(shí)的輪軌接觸應(yīng)力和動(dòng)彎應(yīng)力作用下，疲勞裂紋在夾雜物處萌生并逐漸發(fā)展為縱橫裂型核傷。鋼軌中非金屬夾雜物的類型、分布、尺寸均對(duì)鋼軌接觸疲勞性能有一定影響，大尺寸的硬質(zhì)相夾雜物(含鈣、鋁、硅、氧等元素)通常會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋在鋼軌踏面下萌生，而具有良好塑性的MnS夾雜物對(duì)接觸疲勞性能的影響不大[3]。CLAYTON[4]通過研究鋼軌中氧化物夾雜對(duì)踏面下縱向水平裂紋的影響，得到氧化物夾雜對(duì)縱向水平裂紋影響因子，計(jì)算公式為

(1)

式中：K為水平裂紋影響因子；V為氧化物的體積分?jǐn)?shù)，%；L為氧化物線長度，取200 mm2區(qū)域內(nèi)的總長度；H為鋼軌踏面的布氏硬度。

在相同的試驗(yàn)條件下，水平裂紋影響因子越大，鋼軌萌生水平裂紋的可能性越大。由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，傷損鋼軌踏面下的條狀非金屬夾雜物的長度約5 mm，并且主要由脆性的氧化鋁和硅酸鹽組成，因此鋼軌的水平裂紋影響因子較大，容易萌生縱向水平裂紋，這是縱橫裂型核傷產(chǎn)生的主要原因。

另外，水平裂紋影響因子與輪軌接觸應(yīng)力也存在一定的關(guān)系[5]。在鋼軌踏面下的輪軌接觸剪應(yīng)力分布區(qū)中，對(duì)稱循環(huán)水平應(yīng)力的振幅比脈動(dòng)循環(huán)剪應(yīng)力的大得多，因此可認(rèn)為與滾動(dòng)面平行的對(duì)稱循環(huán)水平應(yīng)力是導(dǎo)致鋼軌剪切破壞的主要應(yīng)力。在對(duì)稱循環(huán)水平應(yīng)力的作用下，于踏面下產(chǎn)生縱向水平裂紋[6-7]。由于輪軌接觸應(yīng)力的大小主要與線路曲線半徑、列車速度和軸重、輪軌接觸位置及線路狀態(tài)等有關(guān)，小半徑曲線上股鋼軌處的輪軌接觸應(yīng)力較大，因此縱橫裂型核傷主要出現(xiàn)在小半徑曲線上股鋼軌處，較大的輪軌接觸應(yīng)力促進(jìn)了縱向水平裂紋在粗大夾雜物處的萌生與擴(kuò)展，這是縱橫裂型核傷產(chǎn)生的次要原因。

夾雜物在鋼軌軌頭中分布位置的不同可能導(dǎo)致鋼軌傷損形式的不同。當(dāng)夾雜物位于距踏面3～5 mm位置時(shí)，在輪軌接觸壓應(yīng)力作用下所形成的縱向疲勞裂紋可能導(dǎo)致踏面剝離掉塊[8]；當(dāng)夾雜物位于距踏面5～12 mm位置時(shí)，在輪軌接觸剪應(yīng)力作用下可能形成縱橫裂型核傷；當(dāng)夾雜物距踏面距離大于12 mm時(shí)，輪軌彎曲應(yīng)力逐漸增大，容易形成橫向疲勞裂紋型核傷，該類裂紋源通常具有核狀斑痕的形貌特征。由此可知，位于距踏面9 mm位置的夾雜物為傷損鋼軌中縱橫裂型核傷的形成提供了可能。

鋼的純凈度表現(xiàn)為鋼中非金屬夾雜物的含量、種類和分布，非金屬夾雜物一般分為高倍夾雜物和低倍夾雜物兩類。高倍夾雜物主要與煉鋼過程中鋼水的純凈度及所采用的脫氧等工藝有關(guān)，在鋼中的分布具有一定的規(guī)律性，且高倍夾雜物尺寸較??；低倍夾雜物主要與連鑄過程中的澆注溫度、渣流動(dòng)性和排渣效果、耐火材料的沖刷或脫落等有關(guān)，其來源可能是卷入的連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣或其包裹耐火材料，或爐渣包裹耐火材料等，低倍夾雜物的延展性較差，脆性較大，會(huì)嚴(yán)重影響鋼軌的疲勞性能[9]，同時(shí)低倍夾雜物在鋼中的分布隨機(jī)、沒有規(guī)律性，其尺寸較大。由此可知，傷損鋼軌存在的條狀大尺寸夾雜物屬于鋼中隨機(jī)分布的低倍夾雜物，其形成原因可能與鋼鐵連鑄過程有關(guān)。

綜上所述，傷損鋼軌的核傷類型應(yīng)為縱橫裂型核傷，屬于疲勞傷損，其形成的主要原因是在循環(huán)工作應(yīng)力作用下，在鋼軌軌頭輪軌接觸應(yīng)力分布區(qū)內(nèi)沿軋制方向分布的粗大夾雜物處形成條狀裂紋源且裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終形成縱橫裂型核傷。提高鋼軌的純凈度、加強(qiáng)冶金質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)、減少和細(xì)化鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸均是防止縱橫裂型核傷形成的主要措施。此外，采用高強(qiáng)度級(jí)別的鋼軌也可以延緩鋼軌內(nèi)部裂紋的萌生與擴(kuò)展。

3 結(jié)論與措施

(1) 傷損鋼軌的核傷類型為縱橫裂型核傷，屬于疲勞傷損，其形成的主要原因是在循環(huán)工作應(yīng)力的作用下，在鋼軌軌頭輪軌接觸應(yīng)力分布區(qū)內(nèi)沿軋制方向分布的粗大夾雜物處形成了條狀裂紋源且裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終形成縱橫裂型核傷。

(2) 提高鋼軌的純凈度、加強(qiáng)冶金質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)、減少和細(xì)化鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸均是防止縱橫裂型核傷的主要措施。此外，采用高強(qiáng)度級(jí)別的鋼軌也可以延緩鋼軌內(nèi)部裂紋的萌生與擴(kuò)展。

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