某高速鐵路鋼軌斷裂失效分析

(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

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(shí)速200 km/h以上客運(yùn)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(yùn)專線對(duì)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(yùn)行所帶來的沖擊載荷和機(jī)車自身重力，還需要具有足夠的強(qiáng)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(shí)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(duì)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?yàn)榱鸭y擴(kuò)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(gè)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(kuò)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。

圖1 重軌斷裂面宏觀形貌

圖2 重軌斷裂面微觀形貌

圖3 裂紋源處沿晶斷裂形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)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]。

表1 鋼軌化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)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(kuò)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。

圖4 軌底三角區(qū)孔洞缺陷以及大顆粒夾雜

圖5 軌底三角區(qū)裂紋沿晶界擴(kuò)展

圖6 焊接組織形貌

圖7 基體組織形貌

圖8 裂紋源處組織形貌

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SiO2-MnO，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Al2O3-MgO-SiO2-CaO氧化物夾雜以及條狀MnS夾雜，如圖10～圖12所示。

圖9 焊縫中夾雜物的SEM形貌和成分的能譜分析

圖10 基體夾雜物1的SEM形貌和成分的能譜分析

圖11 基體夾雜物2的SEM形貌和成分的能譜分析

圖12 焊縫中夾雜物的SEM形貌和成分的能譜分析

3 失效原因分析

U71MnG熱軋鋼軌采用閃光焊對(duì)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(duì)接焊合過程中設(shè)備狀態(tài)波動(dòng)、頂鍛距離及頂鍛力控制不當(dāng)會(huì)造成個(gè)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(huì)降低材料的強(qiáng)韌性，并在開裂過程中成為裂紋易于擴(kuò)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(duì)接焊接過程中，在焊接末期，若加速閃光階段末速過大，會(huì)發(fā)生過梁爆破[9]。鋼軌的熔點(diǎn)為1 495 ℃，高溫液態(tài)金屬?zèng)_破保護(hù)氣氛，保護(hù)氣氛含有的O和CO等氣體會(huì)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SiO2-MnO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SiO2-MnO硅酸鹽夾雜后，孔洞未被液態(tài)金屬充滿，在未形成SiO2-MnO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(diǎn)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(shí)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(jī)車自身的重力，不規(guī)則形狀的SiO2-MnO硅酸鹽夾雜物尖端和孔洞在受到復(fù)雜應(yīng)力時(shí)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(kuò)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(kuò)展的通道，導(dǎo)致裂紋沿晶界擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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SiO2-MnO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(kuò)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(qiáng)韌性，弱化晶界，對(duì)重軌斷裂起到了關(guān)鍵作用。