貝氏體轍叉鋼成分、組織及力學性能對使用壽命的影響

高尚君 鄭會鋒 孫俊杰

摘 要：實驗研究了3種不同成分的貝氏體轍叉鋼的組織、力學性能及其實際服役壽命。通過分析3種失效下道后的貝氏體轍叉失效模式與力學性能的關系，以及裂紋萌生、擴展與組織的關系，發(fā)現(xiàn)粒狀貝氏體組織，與合理的硬度、機械性能指標相配合，可以提高貝氏體鋼轍叉心軌的上道運營壽命。

關鍵詞：貝氏體鋼;轍叉心軌;失效

0 前言

鐵路轍叉是使火車車輪由一股線路轉(zhuǎn)換到另一股線路的平面交叉設備。當列車通過時，輪軌與轍叉之間產(chǎn)生強烈的沖擊，轍叉心軌尖端會承受巨大的載荷，日積月累后會使轍叉產(chǎn)生不同程度的變形和磨損。轍叉變形量過大或磨耗嚴重會導致失效，甚至危害行車安全。傳統(tǒng)整鑄式高錳鋼轍叉因初始強度低，使用初期不耐磨，以及鑄件中不可避免存在大量縮孔、疏松、晶粒粗大的現(xiàn)象，導致高錳鋼轍叉整體使用壽命不高，因此，研發(fā)新型轍叉材料成為了必然。

隨著貝氏體相變理論的不斷成熟，國內(nèi)外道岔市場逐步開始采用貝氏體合金鋼來制造固定型轍叉中的心軌和翼軌。從大量的線路觀察分析可知，目前我國鐵路線路上使用的合金鋼轍叉不正常失效形式主要有以下幾種形式：（1）脆性剝落;（2）塑性變形導致“飛邊”;（3）嚴重磨損;（4）脆性斷裂等[1]。轍叉的合金成分、組織及力學性能與失效形式的對應關系仍缺乏系統(tǒng)深入研究，因此，研究貝氏體鋼的成分、組織、力學性能對失效模式及使用壽命的影響機制對進一步開發(fā)貝氏體轍叉鋼和提升轍叉壽命具有指導意義。

本文選取3種不同成分的貝氏體鋼轍叉進行研究。分析了合金成分、組織、力學性能對失效形式及實際使用壽命的關系，分析了裂紋的萌生及擴展與組織的關系。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗研究的3種貝氏體轍叉的化學成分見表1。同時表1中給出了中國鐵路工程總公司于2017年09月05日發(fā)布的企業(yè)標準Q/CR595-2017合金鋼組合轍叉，其中規(guī)定的貝氏體鋼牌號分別是U20和U26兩種。通過對比可知，本次取樣分析的轍叉心軌其合金成分并未完全執(zhí)行該標準。1#心軌在U26鋼號的基礎上取消了鎳，但添加了細化晶粒的釩元素。2#心軌材料出于降低成本考慮，在U26牌號的基礎上降低了鎳、鉬元素含量。3#心軌材料與U20鋼號相比，添加了細化晶粒的元素釩。雖然合金成分與標準范圍不完全相同，但均可歸于Si-Mn-Mo系低碳貝氏體鋼。

1.2 熱處理工藝

3種成分的轍叉均采用正火+低溫回火工藝。具體見表2。

1.3 組織及力學性能分析

力學性能測試按照Q/CR595-2017標準中規(guī)定的取樣位置與檢測方法執(zhí)行。分別在3種不同成分的轍叉上各取3件拉伸試樣和6件U型缺口標準沖擊樣，在擺錘試驗機上測定3種轍叉的室溫和-40℃的沖擊功。硬度測試在洛氏硬度計上進行測試。在靠近力學性能測試取樣位置處取金相試樣，將試樣用砂紙磨平后進行拋光，將QA-3-4用砂紙磨平后進行拋光，再用4%硝酸酒精腐蝕后制成金相試樣，進行組織觀察。此外，為了分析轍叉失效形式與組織的關系，實驗中將失效下道的1#和2#轍叉的心軌進行解剖，在失效部位取金相樣以觀察裂紋的萌生及擴展路徑。

1#轍叉失效形式為心軌剝落掉塊（左圖中藍色虛線框位置），如圖1所示，剝落掉塊前萌生的原始裂紋已經(jīng)不存在了，無法直接觀察分析。試驗中只能通過對剝落掉塊處仍存在的裂紋進行觀察，分析裂紋的萌生及其擴展路徑。將1#試樣進行解剖，采用線切割沿右圖藍色虛線處切開，一共取2塊樣用于試驗分析，心軌取兩塊試樣分別編號為1-1和1-2;1-1試樣用于沿縱截面方向觀察裂紋的萌生及擴展方式;1-2試樣用于沿橫截面方向觀察裂紋的萌生及擴展。

2#轍叉失效形式為心軌頂面過量磨損，在軌頂面邊緣處可以看到剝落掉皮后留下的凹坑，從形式上看其屬于疲勞磨損。實驗中采用線切割沿圖中藍色虛線位置處取樣，以觀察裂紋的萌生及擴展與組織的關系。

2 實驗結(jié)果

2.1 金相組織

3種成分的轍叉的金相組織如圖3所示。3種轍叉組織均為空冷貝氏體組織，但在光學顯微鏡下觀察其組織形態(tài)有顯著差異。1#轍叉組織多呈條片狀，僅有少量呈粒狀;2#轍叉組織主要呈粒狀，僅有少量呈條片狀;3#轍叉基本上都呈粒狀，且組織相對于1#和2#轍叉更細小。根據(jù)貝氏體組織形態(tài)的不同，最早將貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體;但在Si含量較高的合金鋼中，Si會抑制碳化物的形成，貝氏體轉(zhuǎn)變可以不形成碳化物，形成貝氏體鐵素體+富碳殘余奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（多呈島狀）的混合組織，這樣的貝氏體組織稱為無碳化物貝氏體。實驗選取的3種成分的鋼均為Si含量較高的合金鋼，其組織均應隸屬無碳化物貝氏體。貝氏體鐵素體呈條片狀還是呈塊型轉(zhuǎn)變?nèi)Q于貝氏體鐵素體的轉(zhuǎn)變機制，合金元素、C含量及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變速率均會影響貝氏體轉(zhuǎn)變機制及貝氏體形態(tài)。大量的試驗證據(jù)表明，粒狀貝氏體與常規(guī)貝氏體在相變機制上是一致的。其特殊的組織形態(tài)主要來源于兩個因素的影響：在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變和低的碳含量。前者允許相變在廣闊的溫度范圍內(nèi)進行，使作為基體組織的鐵素體形態(tài)不規(guī)則。而低的碳含量使得分布于貝氏體亞單元之間的殘余奧氏體尺寸微細，在光學顯微鏡下，貝氏體束內(nèi)的單片貝氏體因而難以被識別[2]。由于貝氏體組織屬于中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其組織形態(tài)多種多樣，因此，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不可能為某一種單一形態(tài)的貝氏體組織。依鋼的成分、轉(zhuǎn)變溫度或熱處理過程中連續(xù)冷卻速率不同，導致貝氏體鋼轍叉心軌熱處理后最終形成混合組織。

2.2 力學性能

3種成分的轍叉的力學性能見表3，同時表3中給出了Q/CR595-2017標準中規(guī)定的貝氏體轍叉的力學性能標準。3種成分轍叉的各項指標基本都滿足標準要求，其中1#轍叉的強度最高，硬度接近標準要求的上限;2#轍叉強度較低，抗拉強度略低于標準要求，硬度接近標準要求的下限;3#轍叉強度處于三者中間水平，硬度處于標準要求的中間值水平。

2.3 轍叉實際使用壽命及失效形式

3種轍叉實際使用壽命及失效形式結(jié)果見表4。1#轍叉使用壽命最短，過載量不足1億噸，主要發(fā)生心軌軌頂面剝落掉塊;2#轍叉使用壽命略高于1#轍叉，過載量達到1.2億噸，但其壽命仍較低，主要是因為不耐磨;3#轍叉使用壽命較長，過載量達到2.5億噸，屬正常磨耗到限下道。

2.4 裂紋萌生及擴展路徑分析

1#轍叉心軌剝落掉塊處橫縱面裂紋擴展形式如圖4所示。在剝落掉塊處觀察到沿縱向貫通的裂紋，如圖4（a）、（c）所示;在靠近剝落掉塊坑面的邊緣部觀察到多條裂紋，如圖4（b）、（d）所示，裂紋起源于表面，沿與表面呈30°～50°夾角方向向內(nèi)部擴展，裂紋最深已擴展至離表面0.8 mm深處。1#試樣經(jīng)腐蝕后可觀察到其變形層較淺，約70 μm，如圖4（e）、（f）所示，由于材料的屈服強度較高，次表面幾乎觀察不到變形，裂紋在表面產(chǎn)生后在交變載荷作用下向內(nèi)部擴展。若兩條裂紋相交且整個裂紋面貫通后發(fā)生剝落掉塊。

在1#轍叉軌頂面邊緣磨損處觀察到小裂紋，如圖5（a）所示;裂紋與軌頂面約呈10°夾角斜向內(nèi)擴展，裂紋最深已擴展至離表面0.25 mm深處，如圖5（b）所示;隨著服役時間的延長，若裂紋相交并貫通后會掉屑，因此，根據(jù)以上觀察和分析，其磨損形式應該為疲勞磨損。

2#轍叉主要失效形式為過量磨損，從其磨損面形貌上看應為疲勞磨損。在軌頂面的邊緣處觀察到多條幾乎平行于軌頂面的裂紋，如圖6（a）所示;試樣經(jīng)腐蝕后可觀察到其變形層較深，約0.7 mm，裂紋在變形層內(nèi)擴展，如圖6（b）所示;此外，在裂紋附近及裂紋上方觀察到組織發(fā)生了明顯的流變，如圖6（c）、（d）所示，說明發(fā)生了較大的塑性變形;在裂紋尖端處觀察到裂紋易于沿貝氏體條擴展，當裂紋遇到粒狀貝氏體時會發(fā)生轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)而沿貝氏體條擴展，如圖6（e）。這種失效模式是典型的疲勞磨損，在反復的交變載荷作用下變形層塑性耗盡，裂紋在變形層擴展導致表面掉皮。

3 分析與討論

1#轍叉心軌硬度和屈服強度較高，硬度平均值接近HRc45，屈服強度大于1 100 MPa，服役過程中軌頂面變形層較淺，裂紋在表面產(chǎn)生后在交變載荷作用下易于向內(nèi)部擴展，裂紋距軌頂面達到0.5 mm～0.8 mm深，裂紋貫通后發(fā)生剝落掉塊。2#轍叉硬度和屈服強度較低，硬度為HRc38～39，屈服強度低于1 000 MPa，服役過程中軌頂面易于發(fā)生變形，且靠近軌頂面處變形層較深，約0.7 mm，塑性變形累積導致裂紋萌生及裂紋在變形層內(nèi)擴展，導致軌頂面掉皮，耐磨性不足。相較而言，3#轍叉強度和硬度適中，硬度HRc40～42，屈服強度為平均1 080 MPa，使用過程中均勻磨耗，未發(fā)生剝落掉塊，使用效果好。因此，過高及過低的強度和硬度對轍叉的使用壽命均不利，硬度和強度過高易導致軌頂面剝落掉塊，硬度和強度過低易導致軌頂面不耐磨。

從裂紋擴展路徑與組織特征關系看，裂紋易于沿貝氏體條擴展，當裂紋遇到粒狀貝氏體時會發(fā)生轉(zhuǎn)向，裂紋轉(zhuǎn)而沿貝氏體條擴展。因此，粒狀組織對提升轍叉壽命有利。從貝氏體相變角度看，適當降低碳含量和空冷正火時的冷卻速度有利于獲得粒狀組織，從而提高轍叉使用壽命。

4 結(jié)論

（1）從材料強度、硬度與裂紋擴展關系來看，材料強度適中時靠近軌頂面一定深度處的適量塑性變形可以釋放應力，減小裂紋向內(nèi)部擴散的傾向，利于減小剝落掉塊的傾向，但若材料強度太低會導致不耐磨損。

（2）從裂紋擴展與材料組織關系的角度分析，裂紋易于沿貝氏體條擴展;而粒狀貝氏體可以使裂紋擴展發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂紋擴展路徑和阻力，有利于抑制裂紋擴展。

（3）適當降低碳含量和空冷正火時的冷卻速率有利于得到粒狀組織，粒狀組織與合理的硬度、機械性能指標相配合，可以提高貝氏體鋼轍叉心軌的上道運營壽命。

參考文獻：

[1]潘攀，龍曉燕.貝氏體鋼轍叉的宏觀失效機理[J].鑄造技術(shù)，2016，37（6）：1153-1157.

[2]賀信萊.高性能低碳貝氏體鋼的研究與開發(fā)[D].北京科技大學.