高鐵扣件彈條疲勞斷裂原因分析

肖洪秀 伍曾 黃新杰

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

扣件系統(tǒng)將鋼軌固定在軌枕上，對聯(lián)結(jié)固定鋼軌和其他軌下基礎(chǔ)部件起主要作用，保證軌道的正確幾何形位，阻止其向縱向和橫向偏移。而扣件系統(tǒng)中彈條非常重要，彈條的材料、尺寸設(shè)計(jì)及其彈條安裝都影響著扣件系統(tǒng)功能的運(yùn)行。彈條在運(yùn)行期間多次承受著交變應(yīng)力的周期性變化，在荷載長期作用下經(jīng)常出現(xiàn)斷裂失效，使輪軌上作用力增加，加速軌道各部件性能破壞，軌道壽命縮短，危及行車安全。為提高行車安全，研究彈條斷裂問題非常重要。60Si2MnA材質(zhì)彈條目前是國內(nèi)WJ-7型扣件最常使用的彈條類型之一，分析60Si2MnA彈條出現(xiàn)斷裂失效的原因，有利于WJ-7型扣件的使用壽命和性能研究分析，對扣件的安裝和使用具有指導(dǎo)意義和價(jià)值提升。研究者主要從靜動(dòng)態(tài)受力變形、材料特性和加工工藝兩方面進(jìn)行研究。扣件彈條動(dòng)、靜態(tài)受力方面，肖俊恒等[1]通過對軌道高頻振動(dòng)的分析和高速鐵路鋼軌波磨的研究，得出出現(xiàn)共振是因?yàn)閺棗l固有頻率和軌道高頻激勵(lì)相一致，高頻振動(dòng)造成彈條斷裂。蘇建鋒等[2]、高曉剛等[3-4]、肖宏等[5]對Ⅱ型彈條、PR單趾彈條、高速鐵路w型彈條和地鐵型彈條的振動(dòng)特性、激勵(lì)影響，高頻效應(yīng)、模態(tài)分析進(jìn)行研究，認(rèn)為共振引發(fā)彈條疲勞斷裂。劉玉濤[6]對扣件安裝螺栓預(yù)緊力、無砟軌道道床板計(jì)算，扣件彈條疲勞損傷研究，根據(jù)軸重即將達(dá)到1 100 Mt時(shí)更換全部扣件彈條。張景坤[7]建立了扣件系統(tǒng)有限元模型，將位移施加于螺栓表面，研究了動(dòng)、靜力條件下扣件的疲勞性能，李波最[8]通過對無砟軌道WJ-7型扣件電阻應(yīng)變測試試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬結(jié)合確定彈條危險(xiǎn)位置，根據(jù)扣壓力線性變化和數(shù)據(jù)變化規(guī)律，預(yù)測彈條工作時(shí)長?？奂棗l的材料和加工工藝方面，郭和平等[9]對60Si2MnA彈條斷口進(jìn)行微觀觀察、檢測材料成分等，認(rèn)為脫碳量太高，使含碳量不足導(dǎo)致材料熱處理硬度偏低而斷裂。陳培哲[10]研究60Si2MnA彈條在受力來自鋼軌扣件的情況下，彈條實(shí)際破壞點(diǎn)與其最大等效應(yīng)力集中點(diǎn)相符合。本文基于拉扭疲勞試驗(yàn)研究彈條斷裂問題，對60Si2MnA斷口進(jìn)行全面分析。

1 彈條的生產(chǎn)工藝及化學(xué)成分

失效彈條的原材料為60Si2MnA熱軋盤條，生產(chǎn)工藝為：矯直切斷→連續(xù)加熱爐加熱→三道次熱彎成型→熱處理(淬火+回火)→表面拋丸處理→表面防銹處理→包裝入庫。

采用直讀光譜儀對失效件的化學(xué)成分進(jìn)行分析,如表1，根據(jù)GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中的參考值可知，失效件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 60Si2MnA彈條的化學(xué)成分 wt%

2 60Si2MnA彈簧鋼斷裂建模計(jì)算

2.1 試件施加荷載

通過有限元軟件ABAQUS對60Si2MnA試件進(jìn)行模擬分析，在有限元軟件中建立與試驗(yàn)效果一樣的邊界約束和拉扭應(yīng)力，建立邊界約束和施加荷載如圖1所示。向試件施加軸向的拉應(yīng)力幅值為550、700、850 MPa 3個(gè)應(yīng)力級別，切應(yīng)力幅值為230、460、690 MPa 3個(gè)應(yīng)力級別，切應(yīng)力大小對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角幅度分別為1°、2°、3°，模擬時(shí)3種拉應(yīng)力幅值分別對應(yīng)3種切應(yīng)力幅值，進(jìn)行模擬分析。拉應(yīng)力幅值為550 MPa，扭轉(zhuǎn)角幅度為1°的應(yīng)力圖如圖2所示[11]。試件受到拉力和扭矩的同時(shí)作用發(fā)生斷裂，主要原因?yàn)樵嚰休d力不足，而根本原因則是循環(huán)疲勞荷載使試件斷裂，利用ABAQUS輸出ODB文件，將文件導(dǎo)入專業(yè)疲勞軟件FE-SAFE中模擬疲勞次數(shù)[12]。

圖1 建立邊界約束和施加荷載

圖2 拉應(yīng)力550 Mpa、扭轉(zhuǎn)角1°時(shí)的應(yīng)力

2.2 試件疲勞次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

將60Si2MnA彈條試件的ODB文件導(dǎo)入專業(yè)疲勞軟件FE-SAFE中計(jì)算試驗(yàn)疲勞次數(shù)，60Si2MnA彈條試驗(yàn)次數(shù)與模擬次數(shù)做對比,60Si2Mn彈條試驗(yàn)次數(shù)與模擬次數(shù)接近，二者相差不大，說明60Si2Mn彈條疲勞損傷試驗(yàn)具有正確性，拉應(yīng)力為550 MPa，扭轉(zhuǎn)角為1°時(shí)60Si2Mn彈條試件疲勞次數(shù)最多達(dá)109 123次，拉應(yīng)力為850 MPa，扭轉(zhuǎn)角為3°時(shí)60Si2Mn彈條試件疲勞次數(shù)最少，僅11 249次，試件在荷載多次循環(huán)作用下最終產(chǎn)生斷裂[13]。

3 試件宏觀斷口分析

彈條試件斷裂失效，是從試件損傷或裂紋的產(chǎn)生、積累到試件完全破壞的全過程。王文秀等[14]的SKI15型彈條失效分析結(jié)果表明，在彎曲扭轉(zhuǎn)力作用下彈條試件在彈條表面產(chǎn)生應(yīng)力集中。60Si2Mn彈條試件斷口如圖3所示，圖3(a)中，彈條試件斷裂后取1 cm的試驗(yàn)段用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行掃描,試驗(yàn)采用拉應(yīng)力幅值為550、700、850 MPa 3個(gè)應(yīng)力級別，扭轉(zhuǎn)角幅度分別為1°、2°、3° 3個(gè)級別進(jìn)行兩兩配對，試樣一共9組。圖3(b)為60Si2MnA彈條試件斷裂圖，部分試樣斷口放大。試件疲勞斷裂產(chǎn)生疲勞源區(qū)，疲勞裂紋萌生和疲勞斷口體現(xiàn)了試件疲勞的基本特征。

(a)1 cm的試件段圖樣

(b) 60Si2MnA彈條試件斷口

4 電子顯微鏡(SEM)掃描分析及結(jié)果

4.1 60Si2MnA彈條失效情況

選取拉應(yīng)力幅值為550 MPa、850 MPa兩個(gè)應(yīng)力級別，扭轉(zhuǎn)角幅度為3°的彈條掃描斷口分析，將各個(gè)切割后的彈條試件在SEM下觀察裂紋起源和擴(kuò)展斷口的宏觀、微觀形貌。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

60Si2Mn彈條斷口的表面來看，可以觀察到產(chǎn)生疲勞斷口的3個(gè)階段包括裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂，基于此，疲勞破壞的斷口與此相對應(yīng)，分別有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三部分。其中，斷口表面缺陷附近屬于疲勞源區(qū)，斷口上有嚴(yán)重的二次裂紋，疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口有放射線花樣，由以上特征可初步判斷彈條斷裂為疲勞失效。

4.2.1 疲勞裂紋源區(qū)

疲勞裂紋源區(qū)位于彈條表面，在原始的宏觀缺陷處，試樣在扭轉(zhuǎn)荷載及拉伸荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，加工時(shí)原始宏觀的缺陷，易導(dǎo)致材料在該位置應(yīng)力集中從而使得裂紋產(chǎn)生[15]。試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的宏觀及微觀疲勞裂紋源區(qū)如圖4所示。圖4(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區(qū)，試樣的裂紋源區(qū)斷面較為平坦而且存在有放射狀花紋，出現(xiàn)明顯裂紋。圖4(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的裂紋源區(qū)出現(xiàn)以疲勞源為中心，向四周輻射的放射線和貝殼狀裂紋。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)如圖5所示。圖5(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的微觀裂紋源區(qū)存在有錯(cuò)臺等特征，位于疲勞源區(qū)的材料內(nèi)部呈現(xiàn)云浮狀。圖5(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的微觀裂紋源區(qū)云浮狀明顯。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)

疲勞擴(kuò)展區(qū)存在放射線花樣圖，循環(huán)荷載的繼續(xù)作用使得形成的疲勞裂紋繼續(xù)向內(nèi)慢速擴(kuò)展，試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)如圖6所示。圖6(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，試樣的疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面不平整，存在貝殼狀和錯(cuò)臺。圖6(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，材料的斷面出現(xiàn)放射線和貝殼狀，相比較于疲勞裂紋源區(qū)疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口表面的滑移線增多出現(xiàn)疲勞弧線。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴(kuò)展區(qū)如圖7所示。圖7(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴(kuò)展區(qū)，材料的微觀疲勞擴(kuò)展區(qū)存在有蜂窩狀等特征，材料內(nèi)部呈現(xiàn)云浮狀。圖7(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，在高倍放大下的試樣微觀裂紋擴(kuò)展區(qū)相較于疲勞裂紋源區(qū)空洞較多，存在疲勞條帶，斷口形貌呈現(xiàn)一個(gè)云浮狀態(tài)。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.3 瞬斷區(qū)

疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展，材料能夠受力的有效面積逐漸變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值之后材料將發(fā)生斷裂，試樣在不同扭轉(zhuǎn)角及拉伸應(yīng)力荷載下的宏觀疲勞瞬斷區(qū)如圖8所示[16]。圖8(a)中，550MPa-3°荷載下,材料的宏觀疲勞擴(kuò)展區(qū)口較為粗糙且存在有斷面臺階。圖8(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞瞬斷區(qū)，斷口較為粗糙，存在不同裂紋面交匯形成的臺階面。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴(kuò)展區(qū)如圖9所示。圖9(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞瞬斷區(qū)，材料內(nèi)部出現(xiàn)韌窩現(xiàn)象。圖9(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋瞬斷區(qū)，在高倍率放大下的材料的微觀瞬斷區(qū)具有明顯的韌窩現(xiàn)象，材料在外力作用下發(fā)生屈服變形產(chǎn)生韌窩，是出現(xiàn)在材料斷口上的半球形空洞的現(xiàn)象，因此60Si2MnA彈簧鋼為韌性材料。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

5 結(jié)論

綜合上述試驗(yàn)與模擬分析，60Si2MnA彈條在拉扭作用過程中斷裂失效的可能原因有：

(1)通過軟件對試件疲勞次數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。試件施加荷載越小，能重復(fù)的疲勞次數(shù)越多，試件施加荷載越大，能重復(fù)的疲勞次數(shù)越少。

(2)對60Si2MnA彈條斷口分析宏觀、微觀現(xiàn)象，彈條表面部分脫碳，表面出現(xiàn)一些小缺口和拉傷溝壑，易在缺口處萌生裂紋。彈條為拉伸-扭轉(zhuǎn)疲勞開裂，裂紋有穿晶現(xiàn)象產(chǎn)生。

(3)扣件系統(tǒng)中，彈條后端小圓弧的內(nèi)側(cè)承受應(yīng)力值最先接近材料的極限值，在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生循環(huán)荷載，容易局部應(yīng)力集中，因此最易產(chǎn)生裂紋。

(4)材料表面的缺陷容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，是循環(huán)荷載下彈條易發(fā)生疲勞斷裂的重要原因。

(5)對不同拉扭應(yīng)力組合下的材料斷口進(jìn)行電鏡掃描，分析了材料疲勞斷裂典型的3個(gè)區(qū)域，得出疲勞裂紋源區(qū)裂紋高低不平，擴(kuò)展區(qū)裂紋呈較明顯的云浮狀態(tài)，而疲勞瞬斷區(qū)則出現(xiàn)了半球形空洞現(xiàn)象。