重載鐵路直線段鋼軌斷裂原因分析

呂晶 楊其全 許鑫 張倩 曹欣旺 馮博宇

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

PG4 在線熱處理鋼軌綜合使用性能良好，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性以及良好的韌性，適合在重載鐵路上使用［1-2］。然而此類鋼軌在使用過程中也暴露出了軌底易銹蝕的問題，并由銹蝕坑向內(nèi)發(fā)展為疲勞源，甚至導(dǎo)致鋼軌脆斷［3-4］。國內(nèi)一重載鐵路直線段在一個(gè)月內(nèi)發(fā)生了2 起PG4（鋼牌號U78CrV）在線熱處理鋼軌折斷事故，其斷裂形態(tài)基本一致，裂紋均起源于軌底并向軌頭方向橫向擴(kuò)展，擴(kuò)展至接近軌頭下顎部位時(shí)轉(zhuǎn)向沿鋼軌縱向擴(kuò)展最終斷裂。

通常因鋼軌軌底腐蝕坑萌生疲勞裂紋而導(dǎo)致鋼軌的斷裂均為鋼軌橫向斷裂［5-6］，而針對鋼軌從軌底起裂橫向轉(zhuǎn)縱向擴(kuò)展斷裂的研究很少。鋼軌生產(chǎn)廠在2013 年對PG4 鋼軌進(jìn)行了成分調(diào)整，調(diào)整成分前PG4鋼軌因軌底銹蝕坑引起的斷裂均為橫向脆性斷裂，未發(fā)現(xiàn)斜裂或橫向轉(zhuǎn)縱向擴(kuò)展斷裂的情況。為調(diào)查PG4鋼軌的斷裂原因，減少安全隱患，抽取其中1件斷裂鋼軌進(jìn)行檢驗(yàn)分析。該鋼軌于2015 年鋪設(shè)，位于直線段，為調(diào)整成分后的75 kg∕m U78CrV 在線熱處理鋼軌，傷損處為無縫線路，累計(jì)通過總質(zhì)量為18.94億t。

1 宏觀及微觀形貌

1.1 斷口宏觀形貌

圖1 為傷損鋼軌的宏觀形貌?？梢钥闯觯撥壠鹗紨嗔盐恢梦挥谲壪孪鹉z墊板位置，軌底表面銹蝕痕跡明顯，存在多處肉眼可見的銹蝕坑。

圖1 斷裂PG4鋼軌宏觀形貌

傷損鋼軌斷口的宏觀形貌見圖2 和圖3。可以看出：鋼軌裂紋源位于軌底下表面距非工作邊軌底角約60 mm 的銹蝕坑位置，從銹蝕坑位置呈放射狀向上擴(kuò)展；疲勞擴(kuò)展區(qū)碾壓、銹蝕程度均較嚴(yán)重，呈半圓形，尺寸約為15 mm（軌底寬度方向）×8 mm（鋼軌高度方向）。裂紋從軌底下表面銹蝕坑處萌生，疲勞擴(kuò)展形成半圓形疲勞擴(kuò)展區(qū)，之后向軌底兩側(cè)和軌頭方向快速擴(kuò)展，擴(kuò)展至接近軌腰中間部位時(shí)轉(zhuǎn)向呈約45°傾斜向軌頭下顎擴(kuò)展，擴(kuò)展至接近軌頭下顎部位時(shí)轉(zhuǎn)向，沿軌頭下顎縱向向一側(cè)擴(kuò)展，最終斷裂。裂紋沿鋼軌軌頭下顎縱向擴(kuò)展截止位置參見圖3，裂紋的擴(kuò)展方向參見圖1白色箭頭標(biāo)注方向。

圖2 傷損鋼軌橫向斷口的宏觀形貌

圖3 傷損鋼軌縱向斷口的宏觀形貌

1.2 斷口微觀分析

用Quanta 400掃描電子顯微鏡對傷損鋼軌疲勞源及其附近斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯浩诹鸭y起源于軌底凹坑，凹坑的最大寬度約為5.5 mm，深度約為0.33 mm。疲勞擴(kuò)展區(qū)氧化銹蝕嚴(yán)重，主要為疲勞碾壓形貌，瞬斷區(qū)以解理形貌為主。對凹坑內(nèi)部進(jìn)行能譜分析，主要為Fe、O、Si、C等元素，為氧化銹蝕產(chǎn)物。

圖4 傷損鋼軌疲勞斷口的微觀形貌

1.3 金相分析

垂直裂紋源斷口截取傷損鋼軌金相試樣，磨制并用Leica DMI5000M 金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。腐蝕液為4%的硝酸酒精。腐蝕前后疲勞源處的金相低倍顯微形貌見圖5。疲勞源區(qū)高倍顯微形貌見圖6。從圖5 和圖6 可以看出，疲勞源處沒有粗大的非金屬夾雜物，顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未觀察到其他異常組織。

圖5 傷損鋼軌疲勞源處金相低倍顯微形貌

圖6 傷損鋼軌疲勞源區(qū)高倍顯微形貌

綜上，銹蝕是傷損鋼軌軌底萌生橫向疲勞裂紋進(jìn)而快速向軌底兩側(cè)和軌頭方向擴(kuò)展的主要原因。傷損鋼軌軌底與墊板接觸的局部表面因腐蝕介質(zhì)作用形成銹蝕坑，在鋼軌內(nèi)部拉應(yīng)力（溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力）以及大軸重列車通過鋼軌時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)彎應(yīng)力的作用下［4］，鋼軌軌底銹蝕坑會成為應(yīng)力集中點(diǎn)而形成裂紋源，萌生疲勞裂紋并橫向擴(kuò)展。

2 理化性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

用ARL?4460 真空直讀光譜儀對傷損鋼軌及調(diào)整成分前PG4 鋼軌的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯赫{(diào)整成分前后PG4 鋼軌化學(xué)成分均滿足TB∕T 2344—2012《43 kg∕m~75 kg∕m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》中對于U78CrV 牌號鋼軌的要求；調(diào)整成分后鋼軌的Mn、S、Cr元素含量有所降低。

表1 鋼軌化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 拉伸性能

對傷損鋼軌及調(diào)整成分前PG4 鋼軌的軌頭和軌腰部位拉伸性能進(jìn)行檢驗(yàn)，取樣位置見圖7，其中軌頭部位拉伸試樣按TB∕T 2344—2012 技術(shù)要求取樣。檢驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯觯赫{(diào)整成分前后鋼軌的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)；傷損鋼軌及調(diào)整成分前PG4 鋼軌軌頭部位的抗拉強(qiáng)度均明顯高于靠近軌頭下顎的軌腰部位，其拉伸性能均能滿足TB∕T 2344—2012的要求。

圖7 拉伸試樣取樣位置

表2 鋼軌拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 軌頭下顎附近硬度分布

對傷損鋼軌軌頭下顎附近（裂紋從橫向轉(zhuǎn)向縱向擴(kuò)展位置附近）硬度分布情況進(jìn)行檢測。按照GB∕T 230.1—2009《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標(biāo)尺）》，在距鋼軌表面約3 mm 處，從軌頭下顎部位開始，以5mm 間隔取一點(diǎn)進(jìn)行洛氏硬度測試，測試點(diǎn)位置及測試結(jié)果見圖8?？梢钥闯?，從軌頭下顎到軌腰，硬度從約41 HRC逐漸降低至約37 HRC。

圖8 傷損鋼軌軌頭下顎附近硬度分布（單位：HRC）

2.4 斷裂韌性

2.4.1 軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性

為檢測傷損鋼軌軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性，對傷損鋼軌及調(diào)整成分前PG4 鋼軌在圖9（a）所示的鋼軌軌頭下顎位置分別取5個(gè)斷裂韌性試樣。試驗(yàn)采用緊湊拉伸試樣，直通形缺口，缺口平行于軌底面，缺口尖端距離軌底面138 mm，預(yù)制裂紋長度為1.5 mm，緊湊拉伸試樣尺寸見圖9（b）。按照GB∕T 4161—2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，傷損鋼軌及調(diào)整成分前的PG4鋼軌軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性的檢測結(jié)果見表3。可以看出，調(diào)整成分前后PG4 鋼軌在軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性相當(dāng)。

圖9 軌頭下顎處斷裂韌性試樣取樣位置及尺寸（單位：mm）

表3 軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性測試結(jié)果

2.4.2 軌頭沿鋼軌橫向的斷裂韌性

為檢測傷損鋼軌軌頭沿鋼軌橫向的斷裂韌性，按照TB∕T 2344—2012，在傷損鋼軌軌頭取3 個(gè)、在調(diào)整成分前PG4鋼軌軌頭取6個(gè)斷裂韌性試樣。采用單邊缺口三點(diǎn)彎曲試樣，按照GB∕T 4161—2007 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫。傷損鋼軌和調(diào)整成分前的PG4 鋼軌軌頭沿鋼軌橫向的斷裂韌性的檢測結(jié)果見表4?？梢钥闯?，調(diào)整成分后的PG4 鋼軌（傷損鋼軌）在軌頭處沿鋼軌橫向斷裂韌性較調(diào)整成分前提高6.7%。

表4 軌頭沿鋼軌橫向的斷裂韌性測試結(jié)果

2.5 原因分析

傷損鋼軌的拉伸性能及軌頭下顎附近硬度分布的檢測結(jié)果表明，從軌腰到軌頭部位鋼軌強(qiáng)度明顯增加。軌頭的抗拉強(qiáng)度高于靠近軌頭下顎的軌腰部位的抗拉強(qiáng)度約210 MPa；從軌腰到軌頭下顎硬度值約從37 HRC增加至41 HRC。

調(diào)整成分前PG4 鋼軌因軌底銹蝕坑引起的斷裂均為橫向斷裂。斷裂韌性表示鋼軌在有裂紋存在的條件下抵抗脆性斷裂的能力，是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)，和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)，是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)，是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。裂紋尺寸一定時(shí)，材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就愈大。調(diào)整成分后，PG4 鋼軌軌頭處沿鋼軌橫向的斷裂韌性顯著提高，但軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性幾乎沒有提高，導(dǎo)致裂紋從軌底擴(kuò)展至軌頭下顎處時(shí)繼續(xù)往軌頭方向擴(kuò)展的阻力增大，從而在軌頭下顎處由橫向轉(zhuǎn)為縱向，向斷裂韌性提高較小的方向擴(kuò)展。因此，傷損鋼軌軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性未與軌頭處沿鋼軌橫向的斷裂韌性同比例提高，這也是與調(diào)整成分前相比調(diào)整成分后的PG4鋼軌軌底銹蝕坑引起的橫向裂紋更易在軌頭下顎處由橫向轉(zhuǎn)為縱向的主要原因。

綜上，軌底銹蝕引起的鋼軌橫向疲勞裂紋橫向擴(kuò)展至軌頭下顎部位時(shí)，由于軌頭強(qiáng)度的增加、斷面幾何尺寸的增大、軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性未與軌頭橫向斷裂韌性同比例提高，使得裂紋轉(zhuǎn)向水平縱向擴(kuò)展。

3 結(jié)論

1）PG4鋼軌的傷損為軌底下表面銹蝕坑引起的鋼軌橫向疲勞裂紋和折斷。銹蝕是傷損鋼軌軌底萌生橫向疲勞裂紋進(jìn)而快速向軌底兩側(cè)和軌頭方向擴(kuò)展的主要原因。

2）鋼軌軌底銹蝕坑引起的橫向裂紋擴(kuò)展至軌頭下顎部位時(shí)，由于軌頭強(qiáng)度的增加、斷面幾何尺寸的增大、軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性未與軌頭橫向斷裂韌性同比例提高，使得裂紋轉(zhuǎn)向沿軌頭下顎縱向擴(kuò)展。

3）鋼軌軌頭下顎處沿鋼軌縱向的斷裂韌性未與軌頭橫向斷裂韌性同比例提高是調(diào)整成分后PG4 鋼軌軌底銹蝕坑引起的橫向裂紋更易在軌頭下顎處轉(zhuǎn)向的主要原因。