高鐵扣件彈條疲勞斷裂原因分析

肖洪秀 伍曾 黃新杰

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

扣件系統將鋼軌固定在軌枕上，對聯結固定鋼軌和其他軌下基礎部件起主要作用，保證軌道的正確幾何形位，阻止其向縱向和橫向偏移。而扣件系統中彈條非常重要，彈條的材料、尺寸設計及其彈條安裝都影響著扣件系統功能的運行。彈條在運行期間多次承受著交變應力的周期性變化，在荷載長期作用下經常出現斷裂失效，使輪軌上作用力增加，加速軌道各部件性能破壞，軌道壽命縮短，危及行車安全。為提高行車安全，研究彈條斷裂問題非常重要。60Si2MnA材質彈條目前是國內WJ-7型扣件最常使用的彈條類型之一，分析60Si2MnA彈條出現斷裂失效的原因，有利于WJ-7型扣件的使用壽命和性能研究分析，對扣件的安裝和使用具有指導意義和價值提升。研究者主要從靜動態受力變形、材料特性和加工工藝兩方面進行研究。扣件彈條動、靜態受力方面，肖俊恒等[1]通過對軌道高頻振動的分析和高速鐵路鋼軌波磨的研究，得出出現共振是因為彈條固有頻率和軌道高頻激勵相一致，高頻振動造成彈條斷裂。蘇建鋒等[2]、高曉剛等[3-4]、肖宏等[5]對Ⅱ型彈條、PR單趾彈條、高速鐵路w型彈條和地鐵型彈條的振動特性、激勵影響，高頻效應、模態分析進行研究，認為共振引發彈條疲勞斷裂。劉玉濤[6]對扣件安裝螺栓預緊力、無砟軌道道床板計算，扣件彈條疲勞損傷研究，根據軸重即將達到1 100 Mt時更換全部扣件彈條。張景坤[7]建立了扣件系統有限元模型，將位移施加于螺栓表面，研究了動、靜力條件下扣件的疲勞性能，李波最[8]通過對無砟軌道WJ-7型扣件電阻應變測試試驗和有限元數值模擬結合確定彈條危險位置，根據扣壓力線性變化和數據變化規律，預測彈條工作時長。扣件彈條的材料和加工工藝方面，郭和平等[9]對60Si2MnA彈條斷口進行微觀觀察、檢測材料成分等，認為脫碳量太高，使含碳量不足導致材料熱處理硬度偏低而斷裂。陳培哲[10]研究60Si2MnA彈條在受力來自鋼軌扣件的情況下，彈條實際破壞點與其最大等效應力集中點相符合。本文基于拉扭疲勞試驗研究彈條斷裂問題，對60Si2MnA斷口進行全面分析。

1 彈條的生產工藝及化學成分

失效彈條的原材料為60Si2MnA熱軋盤條，生產工藝為：矯直切斷→連續加熱爐加熱→三道次熱彎成型→熱處理(淬火+回火)→表面拋丸處理→表面防銹處理→包裝入庫。

采用直讀光譜儀對失效件的化學成分進行分析,如表1，根據GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中的參考值可知，失效件的化學成分符合標準要求。

表1 60Si2MnA彈條的化學成分 wt%

2 60Si2MnA彈簧鋼斷裂建模計算

2.1 試件施加荷載

通過有限元軟件ABAQUS對60Si2MnA試件進行模擬分析，在有限元軟件中建立與試驗效果一樣的邊界約束和拉扭應力，建立邊界約束和施加荷載如圖1所示。向試件施加軸向的拉應力幅值為550、700、850 MPa 3個應力級別，切應力幅值為230、460、690 MPa 3個應力級別，切應力大小對應的扭轉角幅度分別為1°、2°、3°，模擬時3種拉應力幅值分別對應3種切應力幅值，進行模擬分析。拉應力幅值為550 MPa，扭轉角幅度為1°的應力圖如圖2所示[11]。試件受到拉力和扭矩的同時作用發生斷裂，主要原因為試件承載力不足，而根本原因則是循環疲勞荷載使試件斷裂，利用ABAQUS輸出ODB文件，將文件導入專業疲勞軟件FE-SAFE中模擬疲勞次數[12]。

圖1 建立邊界約束和施加荷載

圖2 拉應力550 Mpa、扭轉角1°時的應力

2.2 試件疲勞次數統計分析

將60Si2MnA彈條試件的ODB文件導入專業疲勞軟件FE-SAFE中計算試驗疲勞次數，60Si2MnA彈條試驗次數與模擬次數做對比,60Si2Mn彈條試驗次數與模擬次數接近，二者相差不大，說明60Si2Mn彈條疲勞損傷試驗具有正確性，拉應力為550 MPa，扭轉角為1°時60Si2Mn彈條試件疲勞次數最多達109 123次，拉應力為850 MPa，扭轉角為3°時60Si2Mn彈條試件疲勞次數最少，僅11 249次，試件在荷載多次循環作用下最終產生斷裂[13]。

3 試件宏觀斷口分析

彈條試件斷裂失效，是從試件損傷或裂紋的產生、積累到試件完全破壞的全過程。王文秀等[14]的SKI15型彈條失效分析結果表明，在彎曲扭轉力作用下彈條試件在彈條表面產生應力集中。60Si2Mn彈條試件斷口如圖3所示，圖3(a)中，彈條試件斷裂后取1 cm的試驗段用掃描電子顯微鏡(SEM)進行掃描,試驗采用拉應力幅值為550、700、850 MPa 3個應力級別，扭轉角幅度分別為1°、2°、3° 3個級別進行兩兩配對，試樣一共9組。圖3(b)為60Si2MnA彈條試件斷裂圖，部分試樣斷口放大。試件疲勞斷裂產生疲勞源區，疲勞裂紋萌生和疲勞斷口體現了試件疲勞的基本特征。

(a)1 cm的試件段圖樣

(b) 60Si2MnA彈條試件斷口

4 電子顯微鏡(SEM)掃描分析及結果

4.1 60Si2MnA彈條失效情況

選取拉應力幅值為550 MPa、850 MPa兩個應力級別，扭轉角幅度為3°的彈條掃描斷口分析，將各個切割后的彈條試件在SEM下觀察裂紋起源和擴展斷口的宏觀、微觀形貌。

4.2 試驗結果及分析

60Si2Mn彈條斷口的表面來看，可以觀察到產生疲勞斷口的3個階段包括裂紋的萌生、擴展和斷裂，基于此，疲勞破壞的斷口與此相對應，分別有疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區三部分。其中，斷口表面缺陷附近屬于疲勞源區，斷口上有嚴重的二次裂紋，疲勞擴展區斷口有放射線花樣，由以上特征可初步判斷彈條斷裂為疲勞失效。

4.2.1 疲勞裂紋源區

疲勞裂紋源區位于彈條表面，在原始的宏觀缺陷處，試樣在扭轉荷載及拉伸荷載作用下容易產生疲勞裂紋，加工時原始宏觀的缺陷，易導致材料在該位置應力集中從而使得裂紋產生[15]。試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的宏觀及微觀疲勞裂紋源區如圖4所示。圖4(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區，試樣的裂紋源區斷面較為平坦而且存在有放射狀花紋，出現明顯裂紋。圖4(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區，材料的裂紋源區出現以疲勞源為中心，向四周輻射的放射線和貝殼狀裂紋。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區如圖5所示。圖5(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區，材料的微觀裂紋源區存在有錯臺等特征，位于疲勞源區的材料內部呈現云浮狀。圖5(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區，材料的微觀裂紋源區云浮狀明顯。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.2 疲勞裂紋擴展區

疲勞擴展區存在放射線花樣圖，循環荷載的繼續作用使得形成的疲勞裂紋繼續向內慢速擴展，試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的疲勞裂紋擴展區如圖6所示。圖6(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴展區，試樣的疲勞擴展區斷面不平整，存在貝殼狀和錯臺。圖6(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴展區，材料的斷面出現放射線和貝殼狀，相比較于疲勞裂紋源區疲勞擴展區斷口表面的滑移線增多出現疲勞弧線。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區如圖7所示。圖7(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區，材料的微觀疲勞擴展區存在有蜂窩狀等特征，材料內部呈現云浮狀。圖7(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋擴展區，在高倍放大下的試樣微觀裂紋擴展區相較于疲勞裂紋源區空洞較多，存在疲勞條帶，斷口形貌呈現一個云浮狀態。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.3 瞬斷區

疲勞裂紋逐漸擴展，材料能夠受力的有效面積逐漸變小，當到達一定值之后材料將發生斷裂，試樣在不同扭轉角及拉伸應力荷載下的宏觀疲勞瞬斷區如圖8所示[16]。圖8(a)中，550MPa-3°荷載下,材料的宏觀疲勞擴展區口較為粗糙且存在有斷面臺階。圖8(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞瞬斷區，斷口較為粗糙，存在不同裂紋面交匯形成的臺階面。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區如圖9所示。圖9(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞瞬斷區，材料內部出現韌窩現象。圖9(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋瞬斷區，在高倍率放大下的材料的微觀瞬斷區具有明顯的韌窩現象，材料在外力作用下發生屈服變形產生韌窩，是出現在材料斷口上的半球形空洞的現象，因此60Si2MnA彈簧鋼為韌性材料。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

5 結論

綜合上述試驗與模擬分析，60Si2MnA彈條在拉扭作用過程中斷裂失效的可能原因有：

(1)通過軟件對試件疲勞次數進行模擬，結果與實驗結果相一致。試件施加荷載越小，能重復的疲勞次數越多，試件施加荷載越大，能重復的疲勞次數越少。

(2)對60Si2MnA彈條斷口分析宏觀、微觀現象，彈條表面部分脫碳，表面出現一些小缺口和拉傷溝壑，易在缺口處萌生裂紋。彈條為拉伸-扭轉疲勞開裂，裂紋有穿晶現象產生。

(3)扣件系統中，彈條后端小圓弧的內側承受應力值最先接近材料的極限值，在交變應力作用下，產生循環荷載，容易局部應力集中，因此最易產生裂紋。

(4)材料表面的缺陷容易導致疲勞裂紋的產生和發展，是循環荷載下彈條易發生疲勞斷裂的重要原因。

(5)對不同拉扭應力組合下的材料斷口進行電鏡掃描，分析了材料疲勞斷裂典型的3個區域，得出疲勞裂紋源區裂紋高低不平，擴展區裂紋呈較明顯的云浮狀態，而疲勞瞬斷區則出現了半球形空洞現象。