60Si2CrA Ⅱ型彈條斷裂原因

楊彥飛, 敬雄剛, 趙紅威, 齊紅梅

(寶雞市礎石金屬檢測有限責任公司, 寶雞 721006)

隨著我國鐵路重載化、高速化發(fā)展以及行車密度日益增加，鐵路扣件系統(tǒng)面臨著更加復雜的工況，對其相關零部件也提出了更高的性能要求[1]。彈條是鐵路扣件系統(tǒng)中限制鋼軌縱向位移、橫向位移，連接鋼軌與軌枕的關鍵零部件，其利用自身彈性變形儲存的能量來緩解鋼軌整體受到的機械振動和沖擊作用，在服役過程中往往承受較為復雜的彎曲-扭轉交變應力，有時還受到突然的沖擊載荷作用。近年來，彈條失效問題日益突出[2-5]，某線路上一個Ⅱ型彈條扣件在服役過程中斷裂，彈條的材料為60Si2CrA熱軋彈簧圓鋼，服役時間為6 a多。為分析該彈條斷裂的原因，筆者對其進行了一系列的相關理化檢驗。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂彈條的宏觀形貌進行觀察，斷裂位置為側肢中后部(見圖1)。彈條表面防腐涂層已基本剝落，表面銹蝕嚴重，可見大量點蝕坑，已形成麻面，未見裂紋及局部擦傷痕跡。斷口整體較為平坦(見圖2)，周圍無宏觀塑性變形痕跡，裂紋源位于彈條側肢中后部下方，覆蓋有大量深黃色腐蝕產物，輻射出放射狀條紋；擴展區(qū)可見清晰的貝紋線，為典型疲勞斷裂特征，腐蝕產物沿貝紋線富集；瞬斷區(qū)位于斷口最邊緣位置，所占面積較小，呈剪切唇形態(tài)。彈條的斷裂形式初步判斷為腐蝕疲勞。

圖1 斷裂彈條宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在裂紋源附近取樣進行化學成分分析，結果如表1所示，化學成分滿足GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》對60Si2Cr鋼的要求。

表1 斷裂彈條的化學成分 %

1.3 硬度測試

對彈條進行洛氏硬度測試(C標尺)，測試結果為43.5 HRC，44.0 HRC和43.0 HRC，滿足TB/T3065.2—2002 《彈條Ⅱ型扣件 第二部分：彈條》 對彈條硬度的要求(42～47 HRC)。

1.4 金相檢驗

在裂紋源附近沿軸向取樣進行金相檢驗，其結果如圖3所示，依據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中的A法進行非金屬夾雜物評級，檢測結果為A0,B0,C0,D0.5，DS0 級，符合GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》對非金屬夾雜物的要求。裂紋源附近的顯微組織為回火索氏體，脫碳層深度約為0.075 mm，符合標準TB/T 3065.2—2002對彈條顯微組織及脫碳層深度的要求。在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)大量的點蝕坑，說明彈條外表面的腐蝕較為嚴重。

圖3 斷裂彈條金相檢驗結果

1.5 斷口分析

將斷口用酒精超聲清洗后烘干，利用掃描電鏡觀察斷口形貌。在裂紋源區(qū)可見蘑菇狀腐蝕產物[見圖4a)]，擴展區(qū)可見疲勞輝紋[見圖4b)]。在酒精中加入少量鹽酸，再次超聲清洗后進行掃描電鏡觀察，裂紋源處可見一處深度約為0.13 mm的凹坑[見圖4c)]，凹坑處有泥狀花樣腐蝕產物附著[見圖4d)]，對腐蝕產物進行能譜分析(見圖5)，結果如表2所示，可知腐蝕產物主要含有氧、鐵元素，為鐵的氧化產物Fe2O3。

圖4 斷口微觀形貌

圖5 斷口能譜圖及測點位置

表2 能譜分析結果 %

2 綜合分析

經上述理化檢驗綜合分析，彈條的化學成分、硬度、非金屬夾雜物、顯微組織、脫碳層深度均符合相關標準要求，說明彈條斷裂與材料本身及熱處理工藝無關。通過斷口宏觀及微觀觀察，疲勞斷口三區(qū)特征明顯，擴展區(qū)可見明顯疲勞輝紋，裂紋源處發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑，有泥狀腐蝕產物附著，能譜分析結果顯示腐蝕產物主要為鐵的氧化產物Fe2O3，因此確定斷裂形式為腐蝕疲勞斷裂。

綜上所述，彈條防腐涂層剝落及其長時間暴露在空氣等腐蝕介質中，彈條表面被腐蝕形成蝕點，蝕點連接起來并逐漸擴展延伸，最終在彈條表面形成深淺不一的腐蝕凹坑缺陷，腐蝕凹坑降低了彈條該處的疲勞強度并產生應力集中。彈條在服役過程中，尾部跟端支點附近承受著更大的交變載荷及沖擊載荷，使得裂紋在腐蝕凹坑處萌生并不斷擴展，最終發(fā)生斷裂。

3 結論與建議

彈條表面防腐涂層剝落使其長時間暴露在腐蝕介質中是造成彈條腐蝕疲勞斷裂的主要原因。建議優(yōu)化彈條防腐防銹處理工藝，提高彈條的耐腐蝕性能。