貝氏體鋼軌母材軌頭核傷原因分析

呂晶 楊其全 鄒定強(qiáng) 胡杰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

目前，國內(nèi)外使用的鋼軌主要為珠光體鋼軌［1-2］。隨著鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，輪軌接觸應(yīng)力越來越大，由于輪軌接觸造成的傷損越來越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為曲線上股磨耗、剝離掉塊、下股踏面剝離、波浪磨耗、淺層掉塊以及輾邊［3］。采用強(qiáng)度高的耐磨鋼軌可以減緩或防止重載線路鋼軌接觸疲勞傷損的產(chǎn)生與發(fā)展［4］，因此研發(fā)更高強(qiáng)度級別的鋼軌具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。貝氏體鋼軌具有高強(qiáng)度、高韌性，比珠光體鋼軌更好的耐磨性、抗沖擊和抗接觸疲勞的性能，成為新型高強(qiáng)鋼軌的研發(fā)熱點(diǎn)［5-6］。我國早在60 年代已開展貝氏體鋼的研究，90 年代末開始貝氏體鋼軌材料的研究。該材料最早運(yùn)用于道岔尖軌、心軌上，使用壽命比普通道岔提高1～4倍，效果良好［7］。

鋼軌核傷即鋼軌內(nèi)部裂紋，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)展的疲勞裂紋或脆性裂紋。當(dāng)內(nèi)部裂紋未擴(kuò)展到鋼軌表面時(shí)，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，由于氧化銹蝕使斷口呈暗褐色，則稱為“黑核”［8-9］。軌頭核傷是鋼軌傷損的主要類型，2016 年全國探傷發(fā)現(xiàn)的鋼軌重傷中軌頭核傷占比50%以上，因此軌頭核傷是我國鐵路工務(wù)部門目前探傷和維修工作的主要內(nèi)容，是鐵路行車安全的重大隱患，也是制約我國鐵路鋼軌使用壽命的關(guān)鍵因素。

金屬及化學(xué)研究所對大秦線試鋪的貝氏體鋼軌軌頭核傷案例進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，總結(jié)了該類傷損的分布位置及其斷口與珠光體鋼軌軌頭核傷斷口的區(qū)別。本文選取3 件典型傷損案例，綜合分析該類貝氏體鋼軌軌頭核傷的成因。

1 宏微觀形貌觀察與分析

1.1 斷口宏觀形貌

3 根傷損貝氏體鋼軌的宏觀形貌及傷損位置見圖1。1#鋼軌傷損位于中間，2#鋼軌已斷裂，3#鋼軌傷損位于軌頭內(nèi)部，在軌頭踏面光帶處可見長約20 mm的橫向裂紋。

圖1 傷損貝氏體鋼軌的宏觀形貌及傷損位置

3根傷損貝氏體鋼軌核傷斷口的宏觀形貌見圖2。1#鋼軌斷口位于踏面下約5 mm 的軌頭中部位置，為白核，呈橢圓狀，尺寸約5 mm（軌頭寬度方向）×3 mm（軌頭高度方向）；其內(nèi)部存在一直徑約1 mm 的圓形脆性斷口（即裂紋源），疲勞裂紋萌生于脆性斷口周邊，形成多條起源于脆性斷口的疲勞臺階。2#鋼軌斷口位于軌頭，已擴(kuò)展至踏面和軌頭側(cè)面，尺寸約65 mm（軌頭寬度方向）×40 mm（軌頭高度方向）；裂紋源區(qū)位于踏面下約9 mm 的軌頭內(nèi)部，距一側(cè)軌頭側(cè)面約18 mm，呈直徑約1 mm 的不規(guī)則圓形。3#鋼軌斷口已擴(kuò)展至軌頭表面，斷口呈暗褐色，氧化銹蝕嚴(yán)重，尺寸約32 mm（軌頭寬度方向）×21 mm（軌頭高度方向）；裂紋源區(qū)位于踏面下約4.5 mm 的軌頭內(nèi)部，呈直徑約1.1 mm的灰白色圓形，同時(shí)可見由裂紋源向外部擴(kuò)展的放射棱線及疲勞弧線。

圖2 核傷斷口的宏觀形貌

1.2 斷口微觀分析

用Quanta 400 掃描電子顯微鏡對3 根貝氏體鋼軌的核傷斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，裂紋源區(qū)的高倍形貌見圖3?？梢姡?#鋼軌裂紋源區(qū)主要為解理和沿晶混合斷口形貌，其中部有一直徑約0.1 mm 的粗大夾雜物。經(jīng)能譜分析該夾雜物為C 類（硅酸鹽類）夾雜物。2#鋼軌裂紋源處隱約可見沿晶斷口形貌特征，由于氧化銹蝕和碾壓作用，裂紋源處未觀察到明顯的夾雜物。3#鋼軌核傷斷口表面氧化銹蝕嚴(yán)重并有碾壓變形特征，裂紋源內(nèi)部未觀察到明顯的夾雜物顆粒，分析認(rèn)為夾雜物可能已被遮蓋或碾壓掉；但掃描電鏡高倍觀察發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)存在深色點(diǎn)狀區(qū)域，經(jīng)能譜分析該區(qū)域含有 Mg，Al，O 等元素，表明該夾雜物為以Al2O3為主的 B類（氧化鋁類）夾雜物。

圖3 核傷斷口裂紋源區(qū)的高倍形貌

1.3 金相分析

取1#鋼軌核傷斷口裂紋源處縱斷面作為金相磨面，直接將2#和3#鋼軌核傷斷口作為金相磨面，分別磨制后用4%的硝酸酒精腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，3 根貝氏體鋼軌腐蝕后裂紋源區(qū)及其附近的金相顯微形貌見圖4。

由圖4 可見：1#鋼軌裂紋源處有一長約470μm 的夾雜物。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》評級為C 類夾雜物 2.0 級［10］。2#鋼軌裂紋源處存在一點(diǎn)狀夾雜物，由于金相磨面垂直于鋼軌的長度方向（即鋼軌的軋制方向，也是夾雜物的長度方向），此時(shí)觀察到的是夾雜物的截面形貌，夾雜物的截面尺寸約92 μm×81μm。經(jīng)能譜分析該夾雜物為以Al2O3為主的B類非金屬夾雜物。3#鋼軌裂紋源處存在一點(diǎn)狀夾雜物，其截面尺寸約60 μm×40 μm。經(jīng)能譜分析該夾雜物成分與掃描電鏡下觀察到的裂紋源區(qū)深色點(diǎn)狀區(qū)域夾雜物的成分一致。

圖4 裂紋源區(qū)腐蝕后的金相顯微形貌

1.4 低倍檢驗(yàn)

在距1#鋼軌核傷斷口約20 mm處取軌頭縱斷面低倍樣，磨制后用4%的硝酸酒精進(jìn)行冷酸腐蝕，腐蝕后的低倍樣見圖5（a）。將試樣重新磨制后用1∶1（容積比）的工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸腐蝕，腐蝕后的低倍樣見圖5（b）。在冷酸腐蝕和熱酸腐蝕后的低倍樣上均未觀察到微細(xì)裂紋。

圖5 1#鋼軌縱斷面低倍樣

在1#鋼軌上取橫斷面低倍樣，磨制后用1∶1（容積比）的工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸腐蝕，腐蝕后的低倍樣見圖6。鋼軌試樣存在成分偏析，偏析延伸至軌頭以上30 mm，軌底以下20 mm，其寬度最小值（軌腰處）達(dá)到 8 mm。TB/T 2344—2012《43 kg/m～75 kg/m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》［11］中規(guī)定：存在“延伸至軌頭或軌底超過25 mm 的分散分布的偏析”或“寬度大于6 mm 并延伸到軌頭或軌底內(nèi)13 mm 以上的正或負(fù)偏析”的鋼軌為低倍組織不合格鋼軌。

圖6 1#鋼軌橫斷面低倍樣

2 傷損類型、特點(diǎn)及原因分析

2.1 傷損類型及特點(diǎn)

疲勞裂紋的萌生位置、斷口的宏觀和微觀形貌、斷口金相組織檢驗(yàn)分析結(jié)果表明，3 根傷損貝氏體鋼軌的傷損類型相同，均屬于起源于軌頭內(nèi)部的橫向疲勞裂紋傷損類型。

1#鋼軌的疲勞裂紋起源于軌頭內(nèi)部踏面下方約5 mm深度處、一直徑約1 mm的圓形脆性斷口的周邊，圓形脆性斷口主要為解理和沿晶混合斷口，在脆性斷口的中部存在一截面直徑約0.1 mm 的粗大非金屬夾雜物，縱向觀察該夾雜物長達(dá)470μm，按照GB/T 10561—2005 評定為 2.0 級 C 類非金屬夾雜物［6］。該非金屬夾雜物不滿足TJ/GW 117—2003《U20Mn2SiCrNiMo 貝氏體鋼軌暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的C 類夾雜物應(yīng)小于1.5級的技術(shù)要求［12］。

2#鋼軌的疲勞裂紋起源于軌頭內(nèi)部踏面下方約9 mm 深度處，該處存在一截面尺寸約 92 μm×81 μm的粗大B 類非金屬夾雜物。3#鋼軌的疲勞裂紋起源于軌頭內(nèi)部踏面下方約4.5 mm 深度處，該處存在一截面尺寸約60μm×40μm的B類非金屬夾雜物。由于2#和3#鋼軌疲勞裂紋已擴(kuò)展至軌頭踏面，裂紋源處斷口銹蝕、碾壓較嚴(yán)重，在裂紋源區(qū)觀察不到清晰的沿晶和解理斷口形貌。

在TB/T 1778—2010《鋼軌傷損分類》［13］和國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 712—2002《鋼軌傷損分類》［14］中，都將上述宏觀形貌的傷損納入鋼軌制造缺陷（氫致裂紋）導(dǎo)致軌頭橫向裂紋的傷損類型。圓形脆性斷口及其周圍疲勞擴(kuò)展區(qū)的宏觀形貌與珠光體鋼軌氫致裂紋斷口的宏觀形貌相似，表明該斷口的斷裂源區(qū)的形成與鋼軌中的氫致裂紋有關(guān)，鋼軌中的氫含量局部偏高，以及夾雜物的存在加劇了氫在夾雜物處的富集，從而導(dǎo)致氫致裂紋和圓形脆性斷口。

2.2 傷損原因分析

為深入研究該類貝氏體鋼軌母材軌頭核傷的原因，金屬及化學(xué)研究所對大秦線試鋪的16爐貝氏體鋼軌的鋼水氫含量及該爐鋼軌上線后出現(xiàn)的與上述3根核傷鋼軌同類型傷損（斷口宏觀形貌相同）的鋼軌數(shù)量進(jìn)行追蹤統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 鋼水氫含量與本爐鋼軌出現(xiàn)核傷的鋼軌數(shù)量

由表1 可見：該爐鋼軌鋼水氫含量大于1.7×10-6時(shí)，本爐鋼軌有可能出現(xiàn)不同數(shù)量的核傷；鋼水氫含量越高，該爐鋼軌出現(xiàn)核傷的鋼軌數(shù)量越多。證實(shí)該類傷損為氫致裂紋型核傷。因此建議將貝氏體鋼軌的鋼水氫含量控制在1.7×10-6以下。

鋼中氫含量過高引起的氫致裂紋是鋼軌不允許有的低倍缺陷。傷損鋼軌的檢驗(yàn)分析結(jié)果表明，在鋼軌生產(chǎn)中采用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)及先進(jìn)的檢測方法后仍會出現(xiàn)由于氫致裂紋造成的斷軌。鋼軌的斷面是異型斷面，軌頭的斷面尺寸最大且軋制形變率最小，氫原子從軌頭中部擴(kuò)散至鋼軌表面的距離最長，當(dāng)冷卻速度過快時(shí)，軌頭中部的氫不容易擴(kuò)散至鋼軌表面。此外，軌頭中部形成氫致裂紋的位置也正好是軌腰中心偏析、疏松等低倍缺陷可能延伸到軌頭的部位，該部位有氫容易富集的顯微孔隙，故氫致裂紋主要形成于軌頭中間部位。氫致裂紋的形成過程及其尺寸與鋼中的氫含量、非金屬夾雜物、軋材規(guī)格、冷卻速度、鋼軌受力狀態(tài)等有關(guān)。目前普遍認(rèn)為氫致裂紋是由于鋼中氫含量過高造成的。采取緩冷擴(kuò)散除氫工藝、降低鋼水中氫含量是防止氫致裂紋的2 種有效措施。

通常氫致裂紋的裂紋源位于鋼軌踏面下方20 mm左右的軌頭中部區(qū)域，并具有核狀斑痕或蜂窩狀斷口的宏觀形貌；斷口附近的軌頭縱斷面或橫斷面低倍樣的軌頭中部存在微細(xì)裂紋；超聲波探傷時(shí)，可探測出在鋼軌全長或部分長度的軌頭中部存在不同程度的內(nèi)部裂紋。上述3根傷損貝氏體鋼軌的裂紋源區(qū)分別位于踏面下方5.0，9.0，4.5 mm 處的軌頭中部，而不是在75 kg/m鋼軌踏面下方20 mm的軌頭中部。此外，在附近的軌頭縱斷面低倍樣中沒有觀察到微細(xì)裂紋；在探傷檢查時(shí)也沒有發(fā)現(xiàn)這些傷損鋼軌有其他的軌頭內(nèi)部裂紋。

考慮到在裂紋源區(qū)的中部存在一粗大的非金屬夾雜物，若同一爐號的其它鋼軌都沒有發(fā)現(xiàn)類似的氫致裂紋傷損，可認(rèn)為粗大夾雜物的存在加劇了氫在夾雜物處的富集，是導(dǎo)致鋼軌局部形成氫致裂紋的主要原因。

2.3 貝氏體鋼軌氫致裂紋特征

根據(jù)以上分析，可將貝氏體鋼軌氫致裂紋特征總結(jié)為：貝氏體鋼軌的氫致裂紋傷損位于軌頭內(nèi)部踏面下方4～10 mm，氫致裂紋斷口中部存在粗大夾雜物，斷口附近的低倍樣中觀察不到微細(xì)裂紋。上述特征與珠光體鋼軌白點(diǎn)傷損特征（位于軌頭中部、白點(diǎn)斷口處沒有粗大夾雜物、縱斷面低倍樣中通常能檢測到軌頭中部有多條微細(xì)裂紋）有很大不同。在斷口的微觀形貌上，珠光體鋼軌的白點(diǎn)斷口為解理斷口，而貝氏體鋼軌的氫致裂紋斷口為解理和沿晶混合斷口。貝氏體鋼軌的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和臨界斷裂尺寸也與珠光體鋼軌存在明顯不同。

3 結(jié)論

1）3 根傷損貝氏體鋼軌均為氫致裂紋造成的軌頭內(nèi)部橫向裂紋傷損類型。氫致裂紋斷口中心區(qū)域存在粗大的非金屬夾雜物，是導(dǎo)致鋼軌中的氫在粗大夾雜物處富集并形成氫致裂紋的主要原因。

2）貝氏體鋼軌氫致裂紋傷損主要特征：傷損位于軌頭內(nèi)部踏面下方4～10 mm，氫致裂紋斷口中部存在粗大夾雜物，斷口附近的低倍樣中觀察不到微細(xì)裂紋。

3）依據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建議將貝氏體鋼軌的鋼水氫含量控制在1.7×10-6以下。采用改進(jìn)生產(chǎn)工藝、降低鋼中的氫含量、減少鋼中的粗大夾雜物等措施后，再上線的貝氏體鋼軌未出現(xiàn)該類傷損。