某鐵路用ω形彈條疲勞斷裂原因

張金

（中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100086）

0 引 言

扣件是連接鋼軌和軌枕使之形成軌排的部件，對保證軌道穩(wěn)定性、可靠性起至關(guān)重要的作用［1］。彈條是將鋼軌穩(wěn)定固著于軌道上、確保兩鋼軌間距、并保持鐵路車輛運轉(zhuǎn)線形的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量和性能將直接影響到扣件系統(tǒng)的扣壓力、疲勞壽命和線路的行車安全［2］。

某鐵路鋪軌用的ω形彈條直徑為15mm，材料為38Si7熱軋彈簧鋼，生產(chǎn)工藝流程：下料→加熱→成型→淬火→回火→防銹處理→入庫。參照TB/T 2329－2002標準，將ω形彈條組裝后固定在MTS 810型材料試驗機上，以位移控制的方法進行疲勞試驗，安裝位置從距軌枕區(qū)33mm處開始計算直到鋼軌底部，載荷逐漸加大到－2.34mm（2.6mm試驗振幅的90%）和0.26mm（2.6mm試驗振幅的10%）。在振幅為2.6mm、加載頻率為15～18Hz的條件下進行疲勞試驗時要求循環(huán)500萬次不得出現(xiàn)折斷，但該彈條在上述試驗條件下循環(huán)約300萬次時即發(fā)生斷裂。為了找到ω形彈條提前發(fā)生斷裂的原因，作者通過對彈條的化學成分、硬度、顯微組織及斷口形貌等進行檢驗，確定了彈條的失效原因。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可見，彈條的形狀為ω形，由尾部、中部和前肢三部分構(gòu)成，斷裂發(fā)生在尾部跟端支點處。該處為彈條成型時圓弧半徑較小的位置，也是殘余應力較大的位置，在使用過程中長期承受周期性的彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變應力的綜合作用。從彈條斷口的宏觀形貌可以看出，斷口具有明顯的疲勞斷裂特征，可分為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)三個區(qū)域［3］，裂紋起源于彈條尾部跟端支點處圓弧內(nèi)側(cè)的圓柱外表面，呈放射狀向彈條內(nèi)部擴展，最終導致彈條斷裂失效。

圖1 彈條的斷裂位置及斷口宏觀形貌Fig.1 Fracture location（a）and macroscopic morphology of fracture of spring rod

1.2 斷口的微觀形貌

先將彈條斷口用丙酮清洗干凈，再用無水酒精超聲波清洗后進行掃描電鏡觀察。由圖2可見，斷口較為平齊，有明顯的放射棱線，還有少量氧化腐蝕產(chǎn)物。從圖3中可見疲勞過程中斷口面相互擠壓形成的痕跡和一些氧化腐蝕產(chǎn)物，還有一個深度約為0.15mm的凹坑，疲勞源就位于彈條表面的凹坑處。從裂紋擴展區(qū)上可以看到一些疲勞輝紋和少量二次裂紋，如圖4所示。斷口瞬斷區(qū)上分布有大量的韌窩花樣和局部的撕裂棱線，如圖5所示。

圖2 彈條斷口的低倍SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of fracture of spring rod at low magnification

圖3 裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of crack source area

圖4 裂紋擴展區(qū)的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology of crack expansion area

圖5 瞬斷區(qū)的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of instantaneous fracture area

1.3 顯微組織

依據(jù) TB/T 2478－1993《彈條顯微組織評級圖》，利用Neophot-21型光學顯微鏡觀察彈條的顯微組織。從圖6可見，彈條斷口裂紋源處的顯微組織正常，但在裂紋源（凹坑）處的表面涂層與彈條基體之間存在白色物質(zhì)。從圖7可見，遠離斷口裂紋源的彈條內(nèi)部顯微組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，心部有微量的斷續(xù)鐵素體。

1.4 能 譜

為確定圖6中白色物質(zhì)的成分，對該區(qū)域進行了能譜分析，結(jié)果見圖8。其具體成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為2.51C，33.55O，0.82Si，6.16P，0.2K，1.12Ca，0.45Cr，1.22Mn，42.46Fe，11.51Zn。該白色物質(zhì)為彈條在進行防銹處理前，于酸洗磷化過程中形成的Zn3（PO4）2·4H2O和Zn2Fe（PO4）2·4H2O混合物，磷酸溶液與彈條之間發(fā)生了化學反應，在彈條表面形成了腐蝕坑。

圖6 彈條斷口處的顯微組織Fig.6 Microstructure of fracture of spring rod

圖7 彈條內(nèi)部的顯微組織Fig.7 Microstructure of inside of spring rod

圖8 試樣中白色物質(zhì)的EDS譜Fig.8 EDS spectrum of the white matter in sample

1.5 化學成分

根據(jù)DIN EN 10089－2003《淬火和回火彈簧用熱軋鋼材交貨技術(shù)條件》，利用ARL-4460型真空直讀光譜儀對彈條的化學成分進行分析，其結(jié)果如表1所示。檢驗結(jié)果表明，弾條的化學成分滿足技術(shù)條件要求。

1.6 硬 度

按照DIN EN ISO 6507－2006《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，在彈條的前肢中前端取樣，在打磨深度大于1mm的面上，測試三點的硬度，結(jié)果分別為422，428，414HV30。可見，硬度在標準要求范圍內(nèi)，滿足要求。

表1 彈條的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of spring rod（mass） %

2 斷裂原因分析

由彈條的化學成分、硬度及顯微組織等檢驗結(jié)果可知，該彈條的化學成分、硬度及顯微組織均滿足相關(guān)技術(shù)標準要求，這表明彈條的斷裂失效與材料本身及熱處理工藝無關(guān)。從彈條斷口的宏觀形貌可以看出斷口具有典型的疲勞斷裂特征，可分為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)三個部分。

在對彈條進行微觀形貌觀察時發(fā)現(xiàn)，在斷口裂紋源處，彈條表面存在一個明顯的凹坑。分析認為，彈條尾部跟端支點處的圓弧半徑較小，疲勞試驗過程中承受的交變載荷相對較大，容易產(chǎn)生較大的應力集中，且該處存在凹坑缺陷，促進了疲勞裂紋的萌生及擴展，最終導致彈條在未達到規(guī)定的500萬次疲勞循環(huán)次數(shù)就發(fā)生斷裂失效。

據(jù)了解，該彈條在進行防銹處理前，為增強涂裝膜層（如涂料涂層）與工件間的結(jié)合力、提高涂裝后工件表面涂層的耐蝕性和裝飾性，需要進行磷化處理。由于磷化處理時使用了磷酸溶液，雖然磷酸酸性較弱，但該彈條為高強度鋼，極易被酸溶液腐蝕形成蝕點，腐蝕點連接起來并逐漸擴大，最終在彈條表面形成腐蝕凹坑缺陷。有關(guān)資料表明，彈條在周期性的彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷作用下表面所承受的應力最大，裂紋源極易在表面循環(huán)應力最大處或在材料缺陷處形成［4］。由此可以推斷出，在ω形彈條表面腐蝕坑缺陷處首先發(fā)生開裂形成裂紋源，然后在彎曲及扭轉(zhuǎn)交變應力的作用下，疲勞裂紋不斷擴展并導致彈條斷裂失效。

3 結(jié)論與建議

（1）ω形彈條發(fā)生疲勞斷裂的主要原因是彈條尾部跟端支點處承受的交變載荷相對較大，容易產(chǎn)生較大的應力集中，且該處存在腐蝕坑缺陷，從而促進了疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，最終導致彈條疲勞斷裂失效。

（2）建議改進磷化處理工藝，防止在彈條表面產(chǎn)生腐蝕坑。

［1］盛偉，付傳鋒.高速鐵路扣件系統(tǒng)的類型與應用［J］.金屬加工：熱加工，2010（7）：31-35.

［2］方杭瑋，孫丹杰.彈簧鋼中帶狀偏析對彈條金相組織的影響［J］.工程建設與設計，2004（8）：76-77.

［3］郭和平，李彪，李玉生.60Si2MnA彈條斷裂分析［J］.失效分析與預防，2011，6（2）：90-93.

［4］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.