大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌銹蝕斷裂原因分析

李燁峰，劉豐收，李晨光，李 闖，王 猛

(1.中國鐵路太原局集團有限公司，山西 太原 030013；2 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； 3.北京中鐵科新材料技術有限公司，北京 100081)

大秦鐵路是我國第一條重載運煤專線，它的運輸安全直接關系到國民經濟的發展。2012—2014年期間，大秦鐵路重車線先后出現了多起U78CrV鋼軌因軌底銹蝕而引起的斷軌事故，嚴重危及到大秦鐵路的運輸安全。U78CrV鋼軌是由攀鋼研發的重載鐵路用鋼軌，從2007年開始在大秦鐵路重車線試鋪75 kg/m型U78CrV鋼軌，從2009年開始廣泛鋪設使用，取得了很好的使用效果，目前是大秦鐵路重車線使用的主要鋼軌[1-3]。針對U78CrV鋼軌軌底銹蝕引起的斷軌問題，文獻[4-5]分析發現斷軌和環境、溫度以及材質都有一定的相關性。在此基礎上，本文對U78CrV鋼軌軌底銹蝕原因進行分析，同時對比不同材質鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能，綜合分析U78CrV鋼軌軌底銹蝕斷裂的原因。

1 U78CrV鋼軌軌底銹蝕原因分析

大秦鐵路天馬山隧道前期集中出現了U78CrV鋼軌因銹蝕而產生的斷軌問題。本文對該隧道進行了現場調研。天馬山隧道在2012—2015年2個大修周期內共出現了3起因軌底銹蝕引起的斷軌，每次斷軌時間距離最近換軌時間大概為2年，且斷軌時間都是在冬天。

大秦鐵路隧道內外環境的主要不同點就在于隧道內空氣濕度大，局部有水浸。從現場觀測情況來看，鋼軌銹蝕地段均存在隧道漏水情況，導致了道床潮濕；有些道旁存在流水，在列車高速經過時會將水帶到軌腰或者軌底；地下水的不斷滲漏還會導致隧道內的空氣變得十分潮濕。由于隧道內濕度大，加上溫度較低，且鋼軌本身含有鐵、碳等多種化學成分，而這些成分的電極電位不同，導致鋼軌表面產生了電化學腐蝕反應：在鋼軌表面的陽極區，鐵被氧化為Fe2+進入水膜；在陰極區，溶于水膜中的氧被還原為OH-。Fe2+和OH-兩者結合成不溶于水的Fe(OH)2，Fe(OH)2進一步被氧化成疏松易脫落的紅棕色鐵銹Fe(OH)3。

現場引起鋼軌銹蝕的原因除了環境潮濕、局部有水浸之外，還和煤灰在重車線軌底聚積有關。冬季低溫情況下為防止凍煤，在裝車時大量使用防凍液。防凍液的主要成分是氯化鈉和氯化鈣，而Cl-能明顯加快金屬腐蝕速度，因為Cl-的存在對金屬材料氧化膜產生了破壞作用。因此聚積在軌底的含有防凍液的煤灰會引起甚至加劇鋼軌腐蝕[6-7]。

2 不同材質鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能對比

為研究斷軌和鋼軌材質的關系，分別對大秦鐵路使用U75V、U78CrV兩種材質的鋼軌的耐蝕性能和抗斷裂性能進行對比分析。表1為取樣情況。

表1 試驗鋼軌的取樣情況

2.1 耐腐蝕性能

中性鹽霧試驗通過測量在一定試驗環境下和一定時間周期內材料的失重率來表征材料的耐腐蝕性能。分別對表1中4種鋼軌材料進行中性鹽霧試驗，采用濃度為50 g/L的氯化鈉溶液作為噴霧溶液，最長試驗周期為240 h。

圖1為這4種鋼軌試樣的平均腐蝕失重率隨時間變化曲線。可以看出，4種鋼軌在240 h鹽霧試驗后平均腐蝕失重率沒有明顯的差別，熱處理U78CrV鋼軌稍優于熱軋U78CrV鋼軌。

圖1 4種鋼軌試樣平均腐蝕失重率隨時間變化曲線

2.2 應力腐蝕試驗

通過慢應變速率應力腐蝕試驗方法對3種材質鋼軌(24#,34#,44#)共計12個試樣進行了應力腐蝕斷裂敏感性試驗。平均延伸率與平均面縮率反應的是材料的塑性，塑性性能越好代表材料能承受較大塑性變形而不被破壞的能力越好。圖2為3種鋼軌試樣在應力腐蝕試驗中的塑性對比，可以看出，熱處理U75V鋼軌的塑性要優于熱處理U78CrV鋼軌，而熱處理U78CrV鋼軌的塑性則優于熱軋U78CrV鋼軌。

圖2 鋼軌塑性對比

典型的應力腐蝕斷裂斷口最主要的特征是韌窩。圖3為在500倍掃描電鏡下觀察到的試樣斷口典型形貌。可知，所有試樣斷口均未發現明顯的應力腐蝕斷裂特征，即本次試驗的所有試樣均未發生應力腐蝕斷裂。從應力腐蝕試驗結果來看，3種材質鋼軌在實驗室環境下均具有優良的抗應力腐蝕性能，3種材質鋼軌抗應力腐蝕性能相差不大，對比來看，24#(熱處理U75V)>44#(熱處理U78CrV)>34#(熱軋U78CrV)。

圖3 應力腐蝕試驗后試樣斷口典型形貌

2.3 疲勞裂紋擴展速率

表2為4種鋼軌的疲勞裂紋擴展速率的試驗結果。可知，2種U75V鋼軌疲勞裂紋擴展速率相差不大；2種U78CrV鋼軌疲勞裂紋擴展速率也相差不大。

表2 鋼軌疲勞裂紋擴展速率試驗結果

注：K為應力強度因子范圍。

2.4 低溫斷裂韌性

斷裂韌性是材料阻止宏觀裂紋失穩擴展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數。圖4為在-20 ℃ 條件下4種鋼軌的斷裂韌性結果。可知，熱處理U75V鋼軌的低溫斷裂韌性優于熱軋U75V鋼軌；熱處理U78CrV鋼軌的低溫斷裂韌性優于熱軋U78CrV鋼軌；熱處理U78CrV鋼軌與熱處理U75V鋼軌相比低溫斷裂韌性相差不大，略有提升。

圖4 鋼軌低溫斷裂韌性KIC比較

2.5 缺口敏感性

圖5 平均缺口拉伸敏感系數對比

要優于熱軋U78CrV鋼軌，但是劣于熱處理U75V鋼軌。

2.6 性能綜合對比

表3對4種鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能進行了綜合對比分析。綜合比較來看，4種材質的鋼軌在耐蝕性和抗斷裂性能上雖然沒有太明顯的差別，但熱軋U78CrV鋼軌的耐蝕性、抗斷裂能力相比熱處理U78CrV和U75V鋼軌都要稍差。

3 分析討論

根據對鋼軌現場使用環境的調研分析以及實驗室的對比測試結果來看，大秦鐵路U78CrV鋼軌銹蝕斷裂主要和以下3個因素相關。

3.1 應力腐蝕性能的差異

應力腐蝕是由殘余應力或外加應力導致的應變和腐蝕聯合作用而產生的材料破壞過程，由此導致材料的斷裂稱為應力腐蝕開裂。高強度鋼發生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力(不論是殘余應力還是外加應力，或者兩者兼而有之)和特定的腐蝕介質存在。發生斷軌的的鋼軌具有以上2個條件，拉應力來自鋼軌本身的殘余應力以及重載列車通過時的動彎曲應力，潮濕以及防凍液構成了特定的腐蝕介質。每種材料由于成份、組織結構和強度不同,均存在一定的應力腐蝕門檻值，高于此值時發生斷裂的可能性則明顯增大。經實驗室研究發現，所測試的鋼軌試樣在實驗室的應力腐蝕試驗中均未發生應力腐蝕開裂現象，3種鋼軌展現出的耐應力腐蝕性能從好到壞依次是熱處理U75V、熱處理U78CrV、熱軋U78CrV。但是由于實驗室環境與更加錯綜復雜的現場環境不同，且應力腐蝕斷裂本身就是小概率事件，因此并不能完全否認現場鋼軌斷裂是由應力腐蝕因素所導致的這一說法。結合實驗室研究發現，熱軋U78CrV鋼軌與其他材質相比擁有最差的耐應力腐蝕性能，這說明在現場環境下熱軋U78CrV鋼軌很有可能已經達到了發生應力腐蝕斷裂的門檻條件，而這種情況卻不足以讓其他材質鋼軌在相同的腐蝕環境下因為應力原因而發生斷裂。

3.2 耐腐蝕性能的差異

中性鹽霧試驗結果說明了在實驗室條件下，調整成分后的熱處理U78CrV鋼軌的耐腐蝕性能要明顯優于其調整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌。這也意味著在相同的腐蝕環境下，調整成分前的熱軋U78CrV鋼軌在隧道內因潮濕和運營環境所引起的軌底銹蝕情況要比其調整成分之后更加嚴重，而更加嚴重的軌底銹蝕情況則代表著軌底更加容易出現裂紋源。

3.3 抗斷裂性能的差異

實驗室研究發現調整成分之后的熱處理U78CrV鋼軌的低溫斷裂韌性和缺口敏感性均優于調整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌。這說明若2種鋼軌同時因銹蝕原因而產生性能下降，調整成分之后的熱處理U78CrV鋼軌比調整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌擁有著更好的抗斷裂的能力。

綜合以上因素可知，大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌的斷裂原因為：鋼軌軌底在環境因素的影響下發生銹蝕，并形成銹蝕坑，在鋼軌內部拉應力(溫度應力及殘余應力)以及大軸重列車通過鋼軌時產生的動彎曲應力的作用下，鋼軌軌底銹蝕坑會成為應力集中點而形成裂紋源，而鋼軌材質抗斷裂性能不足使裂紋擴展較快，最終導致斷裂。

4 結論

通過對大秦鐵路重車線使用的U78CrV鋼軌銹蝕原因的分析，綜合對比了4種鋼軌的耐蝕及抗斷裂的能力，分析探討了U78CrV鋼軌的斷裂原因。結論如下：

1)隧道漏水導致隧道內局部鋼軌軌底銹蝕，冬季使用了含有Cl-的防凍液則加劇了鋼軌的銹蝕。

2)實驗室研究發現：出現過斷軌的熱軋U78CrV鋼軌和其他材質鋼軌相比有著相對較差的耐蝕性能及抗斷裂性能。

3)大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌的斷裂原因為：鋼軌軌底在環境因素的影響下發生銹蝕，并形成銹蝕坑，在鋼軌內部拉應力(溫度應力及殘余應力)以及大軸重列車通過鋼軌時產生的動彎曲應力作用下，鋼軌軌底銹蝕坑會成為應力集中點而形成裂紋源，而鋼軌材質抗斷裂性能不足使裂紋擴展較快，最終導致斷裂。