某高速鐵路鋼軌斷裂失效分析

王婷　李文竹　楊靜　周敬　歐陽鑫

摘要： 某高速鐵路采用U71MnG熱軋鋼軌，在常規(guī)質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn)鋼軌斷裂。文中運用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡等手段對鋼軌斷口的宏微觀形貌、斷裂處材料的顯微組織和夾雜物成分進(jìn)行了觀察和分析，從無縫焊接等工藝角度查找鋼軌斷裂失效的原因。結(jié)果表明，鋼軌采用閃光焊對接工藝過程中，由于頂鍛距離和頂鍛力控制不當(dāng)，使焊接末期產(chǎn)生的SiO2MnO硅酸鹽夾雜及孔洞未被擠出而留在焊縫中形成裂紋萌生的核心，未被擠出的液態(tài)金屬釋放熱量降低了焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度，導(dǎo)致焊縫周圍先析鐵素體以網(wǎng)狀形式大量析出，網(wǎng)狀鐵素體降低了材料的強韌性，成為裂紋快速擴展的通道。鋼軌在使用中受到來自列車行駛過程中所施加的交變應(yīng)力和自身重力作用下，容易在焊縫中形狀不規(guī)則的硅酸鹽夾雜物尖端和孔洞造成應(yīng)力集中，誘發(fā)微裂紋的產(chǎn)生。在交變應(yīng)力持續(xù)作用下，微裂紋在晶界遭受弱化且強韌性降低的焊縫中進(jìn)行沿晶快速擴展，最終導(dǎo)致鋼軌發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞： 斷裂; 夾雜; 沿晶

中圖分類號： TG 441.7

Abstract： U71MnG hotrolled rail was used in a highspeed railway， rail fracture was found in routine quality inspection. In this paper， the macromicro morphology， microstructure and inclusion composition of fracture material were analyzed by means of metallurgical microscope and scanning electron microscope， and the failure cause of rail fracture was found out from the perspective of seamless welding and other processes. The results showed that the SiO2MnO silicate inclusions and holes produced at the end of welding were not extruded and forced to remain in the weld to form the core of crack initiation due to the improper control of upset distance and upset force in the butt welding process of flash welding. The heat released by the unextruded liquid metal reduced the cooling rate of the weld and the heataffected zone， leading to a large amount of ferritic precipitation in the form of network around the weld. The network ferrite reduced the strength and toughness of the material and became a channel for the rapid crack propagation. The rail was affected by the alternating stress and gravity exerted by the train during its running， the irregular shape of the silicate inclusion tip and the holes in the weld tended to cause stress concentration and induced the generation of microcracks. Under the continuous action of alternating stress， the microcracks propagated rapidly along the grain boundary in the weld where the grain boundary was weakened and the strength and toughness were reduced， and finally the rail fracture occurred.

Key words： fracture; inclusion; intergranular

0 前言

鋼軌質(zhì)量好壞直接影響鋼軌行車安全和使用性能[1]。目前，國時速200 km/h以上客運專線鐵路通常采用國產(chǎn)U71MnG熱軋鋼軌[2-3]，含碳量較低，低溫韌性較好。相比普通線路，客運專線對鋼軌的安全性具有極為苛刻的要求，鋼軌不僅要求承受列車高速運行所帶來的沖擊載荷和機車自身重力，還需要具有足夠的強度、硬度、韌性以及良好的焊接性能。無縫線路因其具有高可靠穩(wěn)定性，成為高速軌道結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇，而閃光焊則是無縫鋼軌生產(chǎn)的常用方法[4]。

某高速鐵路采用U71MnG鋼軌，投入使用1天后，在常規(guī)質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn)鋼軌斷裂。因此，通過分析鋼軌斷裂成因，可有效預(yù)防此類事故發(fā)生，避免造成巨大損失，具有十分重要的研究意義。

文中通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等檢測手段對失效鋼軌及其斷口進(jìn)行分析，查找鋼軌發(fā)生斷裂的失效原因。

1 檢測分析方法

采用LEICA DMI5000M光學(xué)顯微鏡觀察其組織形貌;采用SUPRA 55場發(fā)射掃描電鏡觀察斷口形貌、OXFORD能譜儀分析夾雜物成分;化學(xué)成分采用化學(xué)粉末法進(jìn)行分析。

2 檢測結(jié)果分析

2.1 斷口宏觀觀察

圖1和圖2為重軌斷裂面形貌，斷裂區(qū)域位于鋼軌焊接接頭。鋼軌斷口宏觀形貌如圖1所示，

鋼軌斷口平坦，無剪切唇，無塑性變形，鋼軌柄部斷口有明顯的人字紋花樣，其放射方向為裂紋擴展方向，斷裂主要從鋼軌軌底三角區(qū)中心起裂。取鋼軌軌底三角區(qū)樣品置于SUPRA 55場發(fā)射掃描電鏡下觀察，可見斷裂源位于軌底表面、半月形中心位置，如圖2所示。在平坦的斷口表面有一個小口，小口處有冰糖花樣及準(zhǔn)解理花樣，如圖3所示，小口處及擴展區(qū)（A區(qū)）均觀察到局部光滑區(qū)域，裂紋源以外區(qū)域斷口形貌為解理河流花樣，判定鋼軌為脆性斷裂。

2.2 化學(xué)成分分析

對鋼軌的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1?？梢娖浠瘜W(xué)成分滿足TB/T 2344—2012《43～75 kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求[5]。

2.3 金相檢驗

對軌底取樣進(jìn)行磨制、拋光后觀察，可見近斷口表面可見較多的二次裂紋、孔洞缺陷以及大顆粒夾雜，如圖4所示，斷裂源附近的孔洞缺陷數(shù)量較多，尺寸較大。拋光試樣經(jīng)4%HNO3酒精溶液腐蝕后觀察，裂紋有沿晶擴展特征，如圖5所示。焊縫顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，如圖6所示，網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織形成一條白亮的條帶，除白亮帶以外顯微組織為索氏體+珠光體+極少量鐵素體，如圖7所示。因此，從圖8所示可以進(jìn)一步判斷裂紋源位于焊縫。

2.4能譜分析

失效試樣在焊縫處存在大量的孔洞及大顆粒夾雜物，能譜分析大顆粒夾雜物為SiO2MnO，Mn元素含量約為47.85%，Si含量約為20.7%，這種夾雜物成分與鋼軌基體中的夾雜物不同，如圖9所示。鋼軌基體夾雜物為Al2O3MgOSiO2CaO氧化物夾雜以及條狀MnS夾雜，如圖10～圖12所示。

3 失效原因分析

U71MnG熱軋鋼軌采用閃光焊對接技術(shù)[6]，閃光焊具體流程為閃平、預(yù)熱、燒化、帶電頂鍛、無電頂鍛、保壓及推瘤。在鋼軌成批進(jìn)行閃光焊對接焊合過程中設(shè)備狀態(tài)波動、頂鍛距離及頂鍛力控制不當(dāng)會造成個別焊縫出現(xiàn)缺陷[7]。焊合后，焊接接頭顯微組織一般為鐵素體+珠光體[8]。而失效鋼軌焊縫組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體。失效鋼軌含碳量約0.7%，屬于低碳鋼，經(jīng)緩慢冷卻先共析鐵素體成網(wǎng)狀分布。網(wǎng)狀鐵素體的形成會降低材料的強韌性，并在開裂過程中成為裂紋易于擴展的通道，網(wǎng)狀鐵素體沿晶界形成，故在鋼軌的斷口上呈現(xiàn)出冰糖花樣的沿晶斷裂微觀形貌，如圖3所示。

在鋼軌對接焊接過程中，在焊接末期，若加速閃光階段末速過大，會發(fā)生過梁爆破[9]。鋼軌的熔點為1 495 ℃，高溫液態(tài)金屬沖破保護氣氛，保護氣氛含有的O和CO等氣體會進(jìn)入液態(tài)金屬中，在焊縫處形成孔洞。Mn，Si元素與O的親和力優(yōu)于Fe元素，液態(tài)金屬中的Mn，Si元素在孔洞內(nèi)發(fā)生氧化形成SiO2MnO硅酸鹽夾雜。由于頂鍛距離和頂鍛力不足，形成的硅酸鹽夾雜未被擠出而被迫留在焊縫中[10]，夾雜物形狀不規(guī)則，分散的硅酸鹽類非金屬夾雜物，脆性大、韌性差，割裂了焊縫基體組織的連續(xù)性，如圖9所示。有些孔洞在其內(nèi)部氧化形成SiO2MnO硅酸鹽夾雜后，孔洞未被液態(tài)金屬充滿，在未形成SiO2MnO硅酸鹽夾雜區(qū)域冷卻后形成自由金屬面，如圖10所示。在閃光焊過程中，焊縫溫度達(dá)到金屬熔點1 495 ℃以上，由于頂鍛距離和頂鍛力控制不當(dāng)，液態(tài)金屬未被完全擠出，未被擠出的液態(tài)金屬在凝固過程中釋放大量熱量間接降低了焊縫的冷卻速度，同時熱影響區(qū)內(nèi)金屬溫度也達(dá)到奧氏體化溫度，焊縫及熱影響區(qū)經(jīng)緩慢冷卻后，導(dǎo)致先析鐵素體以網(wǎng)狀形式大量析出。鋼軌在使用中受到來自列車行駛過程中所施加的交變應(yīng)力作用以及機車自身的重力，不規(guī)則形狀的SiO2MnO硅酸鹽夾雜物尖端和孔洞在受到復(fù)雜應(yīng)力時發(fā)生應(yīng)力集中，容易誘發(fā)微裂紋的萌生，在交變應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴展。焊縫顯微組織中的網(wǎng)狀鐵素體和薄弱的晶界成為裂紋易于快速擴展的通道，導(dǎo)致裂紋沿晶界擴展。斷口內(nèi)微觀形貌所呈現(xiàn)的冰糖花樣狀特征充分說明了裂紋擴展的沿晶性特征。此外，焊縫網(wǎng)狀鐵素體組織寬度約500 μm，在網(wǎng)狀鐵素體組織范圍內(nèi)斷裂形貌具有典型的沿晶特征，而在超出網(wǎng)狀鐵素體組織范圍，鋼軌進(jìn)行快速失穩(wěn)擴展?jié)u變?yōu)榇┚嗔?，最終導(dǎo)致鋼軌發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論

（1）焊縫處存在不規(guī)則形貌的SiO2MnO硅酸鹽夾雜物及孔洞，鋼軌受列車行駛過程中交變應(yīng)力及自身重力作用，在夾雜物尖端和孔洞造成應(yīng)力集中，誘發(fā)微裂紋，在受復(fù)雜應(yīng)力持續(xù)作用下，裂紋進(jìn)一步擴展，導(dǎo)致重軌斷裂。

（2）焊縫組織存在網(wǎng)狀鐵素體，降低材料強韌性，弱化晶界，對重軌斷裂起到了關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 任安超， 吉玉， 周桂峰， 等.客運專線用100 m鋼軌矯直斷裂原因分析[J].鋼鐵，2011，46（1）：92-96.

[2] 周韶博，張銀花，張關(guān)震，等.高速車輪材料與U71MnG鋼軌材料的摩擦磨損試驗[J].鐵道建筑，2017，57（9）：128-131.

[3] 周清躍，張銀華，陳朝陽，等. 我國鐵路鋼軌鋼的研究及選用[J].中國鐵路，2011，（11）：47-51.

[4] 車軍，鄭韶先，蘇程.國內(nèi)鋼軌焊接的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].焊接，2011，（10）：33-35.

[5] 中華人民共和國鐵道部. 43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件： TB/T 2344—2012 [J]. 北京： 中國鐵道出版社， 2012.

[6] 朱志明，范開果，潘際鑾. 高速鐵路鋼軌焊接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].焊接， 2013（5）： 5-10.

[7] 黃治軍，易衛(wèi)東，韓榮東，等.鋼軌閃光焊過燒缺陷識別與消除[J].電焊機，2018，48（8）：84-87.

[8] Rasanen AN， Martikainen J. Experimental review of metallurgical flash weld defects in welded joints：essence of flat spots，penetrators and oxide inclusions[J].Science and Technology of Welding and Joining，2011，16（6）：471-476.

[9] Bauer S. Defects in and features of flashbutt welded joints[J]. Welding International， 1988， 2（9）：836-841.

[10] 丁韋，李力，王瑩瑩，等. 鋼軌中的夾雜物對閃光焊接頭力學(xué)性能的影響[J].焊接技術(shù)，2018，47（9）：119-122.