貝氏體基本軌軌頭核傷原因分析

王玉婷 呂晶 楊其全

中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所， 北京 100081

貝氏體鋼軌是指在使用狀態(tài)下金相組織具有貝氏體組織形貌的鋼軌［1］，強度和韌性高，比珠光體鋼軌具備更好的抗接觸疲勞和抗沖擊性能，是當前新型高強鋼軌的研發(fā)熱點［2-3］。該材料最早運用于道岔尖軌和心軌上，比普通道岔使用壽命提高1 ~ 4倍［4］。

輪軌接觸疲勞裂紋，通常稱剝離裂紋，是軌頭踏面在輪軌接觸應力作用下形成的沿鋼軌全長密集分布的表面裂紋。剝離裂紋在疲勞擴展過程中發(fā)生的掉塊稱為剝離掉塊。當剝離裂紋發(fā)展成軌頭橫向疲勞裂紋時，稱為核傷［5］。研究人員對于珠光體鋼軌的接觸疲勞傷損已作了深入研究［6］，但關于貝氏體鋼軌接觸疲勞傷損的報道極少。

國內某線路U20Mn貝氏體基本軌服役使用一年后，軌頭出現(xiàn)核傷。為查明其產生核傷的原因，本文對傷損基本軌進行檢驗和分析。

1 理化檢驗及分析

1.1 宏觀形貌觀察

傷損基本軌裂紋處形貌見圖1。可以看出：基本軌踏面光帶均勻，光帶寬度約25 mm；對踏面進行放大觀察，可見多條裂紋，均位于工作邊一側，其中最長的一條裂紋與踏面呈約60°。以最長裂紋為中心制取壓斷試樣，用靜彎試驗機對傷損部位進行壓斷。斷口宏觀形貌見圖2?？梢钥闯觯毫鸭y起源于踏面光帶處，向軌頭內部疲勞擴展；斷口較平齊，銹蝕嚴重，為黑核形貌。經測量，疲勞擴展區(qū)尺寸約為50 mm × 30 mm，傷損類別為軌頭橫裂型核傷。斷口表面沒有肉眼可見的冶金缺陷（非金屬夾雜物、金屬異物等）。

圖1 傷損基本軌裂紋處宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 斷口掃描電鏡觀察

用掃描電鏡對2#斷口進行微觀形貌觀察，見圖3。可以看出：裂紋萌生于踏面光帶位置，以多源的方式向軌頭內部疲勞擴展；裂紋源區(qū)及疲勞擴展區(qū)主要為疲勞碾壓及銹蝕形貌。

圖3 裂紋源區(qū)低倍形貌

1.3 金相組織及顯微維氏硬度測試

對耦合斷口在裂紋源位置（參見圖1）沿金相觀察面截取縱向金相試樣，鑲嵌在一起后進行金相組織觀察，磨制并用4%的硝酸酒精腐蝕。圖4為浸蝕前后的金相照片。可以看出：斷口與踏面呈約60°；裂紋源附近組織存在塑性變形；斷口附近的金相組織呈現(xiàn)交替分布的亮/暗組織差異形貌，亮區(qū)和暗區(qū)的組織形態(tài)上存在不同，暗區(qū)組織多為粗大的板條狀，部分呈粒狀，亮區(qū)組織則為較細小的板條狀。

圖4 裂紋源區(qū)金相組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

對暗區(qū)、亮區(qū)組織分別進行顯微硬度測試，其硬度分別約為390、430 HV0.3。結合金相組織照片，推斷暗區(qū)組織應主要為粗大板條狀貝氏體和粒狀貝氏體，亮區(qū)組織主要為細小板條狀貝氏體和馬氏體。暗區(qū)和亮區(qū)組織的能譜分析結果見表1?？芍毫羺^(qū)的Si、Cr元素含量明顯低于暗區(qū)，表明兩處存在成分偏析現(xiàn)象，最終導致組織差異。

表1 暗區(qū)和亮區(qū)組織的能譜分析結果

對1#斷口樣踏面上其他裂紋進行金相及掃描電鏡觀察，結果見圖5?？梢钥闯觯毫鸭y在踏面位置存在明顯的塑性變形，晶粒取向更趨近于各向同性；由表層到材料內部，晶粒逐漸由各向同性轉變?yōu)楦飨虍愋裕?］；裂紋均自踏面塑性變形層處萌生，沿變形流線方向軌頭內部擴展；裂紋與踏面呈約45° ~ 60°傾斜，與斷口的擴展形貌及方向基本一致。

圖5 其他裂紋的金相組織及掃描形貌

依據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，對傷損基本軌進行化學成分檢驗，結果見表2?？芍瑐麚p基本軌化學成分滿足TJ/GW 117—2013《U20Mn2SiCrNiMo貝氏體鋼軌暫行技術條件》，但Mn元素含量接近上限。

表2 化學成分檢驗結果

1.4 基本軌材質性能測試

1.4.1 化學成分

1.4.2 拉伸性能

根據TJ/GW 117—2013，取兩件拉伸試樣，測試基本軌的拉伸性能。根據GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行試驗，檢驗設備為CMT5305電子萬能試驗機。檢驗結果見表3?？芍?，傷損基本軌拉伸性能滿足技術要求。

表3 拉伸性能檢驗結果

1.4.3 沖擊性能

在傷損基本軌上截取U2缺口沖擊試樣，測試基本軌的沖擊性能。根據GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試驗，檢驗設備采用全自動沖擊試驗機。共測試了3個試樣，其沖擊性能測試結果分別為165、127、159 J，滿足TJ/GW117—2013的技術要求（≥ 70 J）。

1.5 檢驗結果分析

對傷損基本軌裂紋形態(tài)、裂紋斷口的宏微觀形貌、金相組織等檢驗結果進行分析，結果如下。

1）基本軌踏面肉眼可見多條裂紋，打開最長裂紋斷口，可見裂紋萌生于踏面光帶處。

2）掃描電鏡觀察裂紋源及疲勞擴展區(qū)主要為疲勞碾壓及銹蝕形貌。

3）金相檢驗結果表明，該基本軌軌頭組織不均勻，由暗區(qū)組織（粗大板條狀貝氏體和粒狀貝氏體）與亮區(qū)組織（細小板條貝氏體和馬氏體）沿縱向交替分布。組織的不均勻應與母材中Si、Cr等合金元素的成分偏析有關。

4）傷損基本軌的化學成分，拉伸、沖擊性能均滿足技術要求。

綜上，傷損基本軌的傷損類型為剝離裂紋發(fā)展成的軌頭橫向疲勞裂紋。

2 傷損原因

根據剝離裂紋在踏面的宏觀形貌、裂紋擴展特點、分布位置等情況，接觸疲勞裂紋傷損通?？煞譃閮煞N形式。

1）魚鱗狀剝離裂紋及掉塊

魚鱗狀剝離裂紋及掉塊通常位于軌距角處的踏面和軌頭側面，踏面和側面同時出現(xiàn)磨耗，裂紋間距細密，形貌為魚鱗狀。裂紋萌生于踏面，沿變形流線方向傾斜向下發(fā)展，傾斜角度較小，通常為10° ~ 15°；隨后裂紋逐漸轉至沿縱向方向擴展，其擴展深度與踏面塑性變形層的深度相對應，如圖6所示。魚鱗狀剝離裂紋通常會發(fā)展成剝離掉塊，剝離掉塊深度一般為2 ~ 4 mm。軌頭側面磨耗較輕時，魚鱗狀剝離裂紋更易形成剝離掉塊。剝離掉塊后，坑底部的殘余裂紋可能向深度方向疲勞擴展，發(fā)展成軌頭橫向疲勞裂紋，引發(fā)鋼軌橫向斷裂［8］。

圖6 魚鱗狀剝離裂紋形貌

2）斜線狀剝離裂紋及掉塊

斜線狀剝離裂紋簡稱斜裂紋，通常位于在軌距角一側的踏面處，形貌為斜線狀，相鄰裂紋間的間距明顯寬于魚鱗狀剝離裂紋，如圖7所示。斜裂紋向下擴展的傾斜角度略大于魚鱗狀剝離裂紋，通常大于20°；斜裂紋擴展深度及寬度明顯大于魚鱗狀剝離裂紋。斜裂紋擴展至踏面下約5 ~ 8 mm，接近踏面中部位置時，裂紋會沿縱向繼續(xù)擴展，或者以較大的角度向軌底方向進行擴展，形成軌頭橫向疲勞裂紋；擴展到較大尺寸后會導致鋼軌發(fā)生橫向斷裂［9］。輪軌接觸方式及接觸應力過大是斜裂紋產生的主要原因。

圖7 斜線狀剝離裂紋形貌

該傷損基本軌的踏面裂紋宏觀形貌與以往案例中的魚鱗狀及斜線狀的剝離裂紋均不相同，其剝離裂紋萌生于軌頭光帶位置，以較大角度45° ~ 60°向下擴展，并發(fā)展為橫向裂紋。從踏面光帶的宏觀形貌［參見圖1（a）］可以看出，光帶寬度較窄，約25 mm，軌距角及軌頭側面未發(fā)生磨耗，因此該傷損基本軌的輪軌接觸面主要為軌頭踏面。當輪軌只在軌頭踏面接觸時，縱向摩擦力小于輪軌兩點接觸時的摩擦力，而且主要是由踏面來承受輪軌接觸壓應力和接觸剪應力作用，所以剝離裂紋是在踏面光帶位置萌生和疲勞擴展的。該傷損基本軌為貝氏體組織的高強度鋼軌，強度達到1 380 MPa，但軌頭組織不均勻，組織應力較大。

當輪軌接觸壓應力超過鋼軌接觸疲勞強度，且疲勞裂紋萌生和擴展速率大于磨耗速率時，將導致基本軌踏面表層金屬發(fā)生塑性變形，疲勞裂紋在塑性變形層表面萌生，并在接觸剪應力和組織應力作用下，以較大的傾斜角度向下擴展。當裂紋擴展至一定深度后，擴展方向受動彎應力、長鋼軌溫度和組織應力的控制，開始向橫向疲勞擴展，直至發(fā)展成核傷。核傷的形成與線路曲率半徑、輪軌接觸狀態(tài)、鋼軌的強度級別、列車軸重、運行速度等因素有關。改善輪軌接觸方式，適時打磨消除剝離裂紋，可以減緩剝離裂紋的產生和發(fā)展。

3 結語

本文通過對傷損基本軌進行檢驗分析，確定其傷損類型為剝離裂紋發(fā)展成的軌頭橫向疲勞裂紋。該基本軌傷損產生的根本原因是輪軌接觸應力超過了基本軌的接觸疲勞強度，產生了剝離裂紋，裂紋沿接觸剪切應力方向疲勞擴展，同時鋼軌組織應力較大，加速了裂紋的橫向擴展。通過改善輪軌接觸方式，適時打磨消除剝離裂紋，可以減緩剝離裂紋的產生和發(fā)展。