鋼軌核傷斷裂原因檢驗分析

■ 邢麗賢　鄒定強　杜涵秋

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鋼軌核傷斷裂原因檢驗分析

■ 邢麗賢鄒定強杜涵秋

摘 要：通過宏觀、微觀形貌觀察，金相、化學成分及低倍檢驗，分析鋼軌核傷的斷裂性質及斷裂原因。分析結果表明，鋼軌核傷斷裂為起源于軌頭內部的橫裂型核傷，軌頭內部存在白點缺陷，是導致形成軌頭內部橫裂型核傷的主要原因。確定鋼軌核傷斷裂性質及斷裂原因，可為預防此類傷損提供借鑒。

關鍵詞：鋼軌核傷；斷裂；白點；橫裂型核傷；疲勞裂紋；金相組織

鋼軌核傷即鋼軌內部疲勞裂紋，是指鋼軌內部的制造缺陷（冶金缺陷、熱處理缺陷等）在運行載荷作用下形成和擴展的疲勞裂紋。當內部裂紋未擴展到鋼軌表面，鋼軌斷口具有金屬光澤，一般稱為白核；當內部裂紋已擴展到鋼軌表面，由于氧化腐蝕使斷口呈暗褐色，一般稱為黑核。目前根據軌頭內部裂紋的形成位置、裂紋形狀及其擴展特點，將鋼軌軌頭核傷分為軌頭縱橫裂型核傷和軌頭橫裂型核傷2種[1]。其中軌頭橫裂型核傷是危害性最大的傷損形式之一，已成為影響鐵路運輸安全的主要傷損類型。

某線路鋼軌在通過貨物總質量約680萬t后，發生軌頭橫向核傷斷裂。線路曲線半徑800 m，坡度11.2‰，自鋪設起運營約1年3個月，通過貨物總質量約680萬t，核傷鋼軌為國產U71Mn 50 kg/m鋼軌，線路允許速度60 km/h[2]。通過對核傷斷裂鋼軌進行斷口宏微觀形貌觀察，金相組織、化學成分及低倍檢驗，確定鋼軌核傷斷裂性質及斷裂原因，為預防此類傷損提供借鑒。

1　試驗過程及結果

1.1宏觀觀察

送檢斷軌樣側面的宏觀形貌見圖1；斷口的宏觀形貌見圖2；軌頭斷口的宏觀形貌見圖3；裂紋源區及斷口的形貌特征見圖4。從圖2可見，裂紋源區位于軌頭中間部位，距踏面下約14 mm，呈蜂窩狀形貌，蜂窩狀斑痕直徑約4 mm；裂紋從軌頭中部蜂窩狀斑痕向軌頭側面、軌頭下顎和軌頭踏面疲勞擴展，橫向疲勞擴展區斷口的寬度約62 mm、高度約49 mm，發生橫向脆性斷裂。軌頭裂紋源及斷口由裂紋源、疲勞斷口、疲勞臺階和脆性斷口組成，裂紋從軌頭向軌腰和軌底方向擴展，軌腰和軌底斷口基本為脆性斷口形貌。

圖1　斷軌樣側面的宏觀形貌

圖2　斷口的宏觀形貌　

圖3　軌頭斷口的宏觀形貌

圖4　裂紋源區及斷口的形貌特征

1.2斷口微觀觀察

掃描樣斷口的宏觀形貌特征見圖5。對裂紋源及斷口進行掃描電鏡觀察，掃描樣斷口及裂紋源區的低倍形貌特征見圖6；裂紋源區斷口的形貌特征放大見圖7；疲勞擴展區斷口的形貌特征放大見圖8；瞬斷區脆性斷口的形貌特征放大見圖9。觀察發現裂紋源區斷口為穿晶準解理斷口特征，有二次裂紋 （見圖6和圖7） ；疲勞擴展區觀察到疲勞臺階、疲勞碾壓變形及疲勞擴展弧線等疲勞擴展形貌特征（見圖6和圖8） ；瞬斷區斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征（見圖9）。

1.3金相顯微組織觀察

在斷軌樣裂紋源區取縱向金相樣，金相磨面垂直于斷口且沿鋼軌縱向，裂紋源區整條裂紋的顯微組織形貌見圖10；裂紋源區裂紋的顯微組織形貌見圖11；裂紋尖端的顯微組織形貌見圖12；基體組織見圖13。圖10—圖12的裂紋源處金相組織正常，在裂紋源處觀察到一條長約2.57 mm的沿鋼軌縱向裂紋，其為穿晶裂紋，兩側沒有氧化脫碳特征，組織為正常的基體組織；圖13的斷軌樣基體組織由珠光體加少量鐵素體組成。

1.4低倍檢驗

對斷軌樣進行低倍組織檢驗，軌頭橫斷面低倍檢驗照片見圖14；軌頭縱斷面低倍檢驗照片見圖15。在圖14中，軌頭中部存在數條微細裂紋，長1～5 mm；在圖15中，有一條明顯的裂紋，靠近踏面一端，距踏面約8 mm，長約20 mm，距斷口62～67 mm。

1.5化學成分

對斷軌樣進行化學成分檢驗，其化學成分符合GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中U71Mn的要求。斷軌樣化學成分檢驗結果見表1。

圖5　掃描樣斷口的宏觀形貌特征

圖6　掃描樣斷口及裂紋源區低倍形貌特征

圖7　裂紋源區斷口的形貌特征放大

圖8　疲勞擴展區斷口的形貌特征放大

圖9　瞬斷區脆性斷口的形貌特征放大

圖10　裂紋源區整條裂紋的顯微組織形貌　

圖11　裂紋源區裂紋的顯微組織形貌

圖12　裂紋尖端的顯微組織形貌　

圖13　基體組織

圖14　軌頭橫斷面低倍檢驗照片

圖15　軌頭縱斷面低倍檢驗照片

表1　斷軌樣化學成分檢驗結果　%

1.6力學性能

對斷軌樣進行力學性能檢驗，其中伸長率為6.5%，低于技術條件要求（伸長率A≥9%），表明斷軌樣鋼軌的力學性能不符合GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中U71Mn的要求。斷軌樣力學性能檢驗結果見表2。

表2　斷軌樣力學性能檢驗結果

2　分析與討論

送檢斷軌樣裂紋源位于軌頭中間部位，宏觀呈蜂窩狀形貌，裂紋首先從軌頭中部的蜂窩狀斑痕分別向軌頭踏面、軌頭側面和軌頭下顎疲勞擴展，當橫向疲勞擴展區斷口達到一定面積時，裂紋向軌頭四周的鋼軌表面、軌腰和軌底方向快速擴展，發生橫向脆性斷裂。送檢斷軌樣宏觀斷口由裂紋源、疲勞斷口和脆性斷口組成。

在掃描電鏡下，觀察發現裂紋源區斷口為穿晶準解理斷口特征，有二次裂紋；疲勞擴展區觀察到疲勞臺階、疲勞碾壓變形及疲勞擴展弧線等疲勞擴展形貌特征；瞬斷區斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征。在斷軌樣裂紋源區取縱向金相樣，觀察發現裂紋源處金相組織正常，在裂紋源處存在一條長約2.57 mm的沿鋼軌縱向穿晶裂紋，裂紋兩側沒有氧化脫碳特征，組織為正常的基體組織；在鋼軌踏面附近觀察到碾壓變形顯微組織特征；斷軌樣的基體組織正常，由珠光體加少量鐵素體組成。斷軌樣化學成分檢驗符合要求，力學性能檢驗不符合要求，低倍組織檢驗結果如1.4低倍檢驗所述。低倍中出現的裂紋應是鋼中白點缺陷形成的發紋。

結合斷軌樣的化學分析、力學性能和低倍組織檢驗結果，對鋼軌斷口進行的宏微觀分析表明，送檢斷軌樣的裂紋起源于軌頭內部的橫裂型核傷，裂紋源位于踏面下約14 mm的軌頭內部中間部位，裂紋源區域斷口宏觀呈蜂窩狀形貌特征，掃描形貌為準解理形貌。結合在橫斷面及縱斷面低倍中發現的發紋形貌，分析認為，裂紋源區即為鋼軌中的發紋，發紋的存在使軌頭內部金屬分離形成軌頭內部缺陷。在列車通過時，鋼軌受到輪軌動彎應力作用，在應力作用下，裂紋從發紋處開始萌生疲勞裂紋并向四周擴展。由于白點缺陷的存在，使鋼軌的脆性增大，一旦開始疲勞擴展，疲勞裂紋擴展速率很高，核傷會快速擴展達到臨界斷裂尺寸進而發生脆性斷裂。

白點是鋼中氫含量過高引起的氫致裂紋，是鋼軌不允許有的低倍缺陷。GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》中6.6.2規定：鋼軌不得有白點。白點會導致鋼軌在鋪設使用過程中發生疲勞斷裂和脆性斷裂，是嚴重危及行車安全的傷損，如鋼軌斷裂是白點造成的，應將同爐號鋼軌全部更換。

3　結論

送檢斷軌樣的裂紋起源于軌頭內部的橫裂型核傷，軌頭內部存在白點缺陷，是導致形成軌頭內部橫裂型核傷的主要原因。

4　參考文獻

[1] 鄒定強，楊其全，邢麗賢，等. 鋼軌失效分析與傷損圖譜[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 邢麗賢，鄒定強，杜涵秋，等. 河白干線K18.312 km處鋼軌核傷斷裂原因檢驗分析[R]. 北京：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2015.

[3] GB 2585—2007 鐵路用熱軋鋼軌[S].

邢麗賢：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究員，北京，100081

鄒定強：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究員，北京，100081

杜涵秋：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究實習員，北京，100081

責任編輯 盧敏

中圖分類號：TG26

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0071-03