曲線尖軌踏面傷損原因分析

呂晶 楊其全 張倩 葛晶 許鑫 王玉婷 曹欣旺

1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

尖軌是道岔的核心部件，是實現列車轉線運行的關鍵［1］。尖軌的加工工序導致其表面和內部存在較復雜的殘余應力，列車通過道岔時尖軌還承擔輪載導致的彎曲應力和高幅值接觸應力，若尖軌存在材料內部缺陷或加工傷損，在復雜的載荷環境下其內部傷損易發展甚至導致尖軌折斷［2］。現階段針對道岔尖軌傷損方面的研究主要集中在傷損的無損檢測和監測［3-4］、磨耗對行車安全的影響［5-6］方面，缺少對道岔尖軌內部缺陷引起尖軌傷損方面的研究。

本文以某聯絡線使用9個月后踏面發生嚴重剝離掉塊且在軌頭寬約15 mm 處發生連續掉塊的曲線尖軌為研究對象，通過曲線尖軌斷口宏觀形貌觀察、金相組織分析、非金屬夾雜物分析、化學成分分析、淬火層形貌觀察、硬度分布檢測等手段，研究曲線尖軌傷損的形成原因并提出合理的改進建議。

1 試驗結果及分析

1.1 宏觀形貌

該傷損曲線尖軌鋪設地段主要為貨運線路，采用60D40 特種斷面鋼軌制造，材質為U71Mn（K），熱處理狀態為軌頭離線淬火。傷損曲線尖軌的宏觀形貌如圖1 所示。可以看出：尖軌軌頭寬約15 mm 處存在長350 mm的連續掉塊區域，掉塊處裂紋非一次性從工作邊向非工作邊的擴展形貌，在斷口中間位置存在過渡臺階；曲線尖軌工作邊磨耗明顯。

圖1 曲線尖軌連續掉塊處斷口的宏觀形貌

軌頭寬15 mm 處的磨耗情況見圖2。可以看出：側面磨耗量為2.4 mm，掉塊深度為3.5 mm；尖軌有明顯塑性變形，產生了2.7 mm的塑性金屬流動。

圖2 曲線尖軌廓形（單位：mm）

1.2 金相分析

為判斷傷損的起裂位置，分別在距離掉塊區域前端約3 mm 和15 mm 的未掉塊處取兩個橫斷面金相試樣（記為1#、2#金相試樣），采用Leica DM6M 金相顯微鏡對樣品的金相組織進行觀察。

1#金相試樣的金相組織見圖3。可以看出：在距軌頂面約4.8 mm 處有一條長約3.4 mm 的內部裂紋（距離工作邊和非工作邊分別約2.3 mm 和1.6 mm），裂紋縫隙的最大寬度約190 μm，內部裂紋上下組織存在明顯的塑性變形；在內部裂紋的上下方有一些微缺陷。該橫斷面未觀察到起源于工作邊或非工作邊的裂紋，表明傷損尖軌裂紋起源于尖軌內部而非工作邊或非工作邊表面。

圖3 1#金相試樣的金相組織

2#金相試樣的金相組織見圖4。可以看出：在距軌頂面約3.5～6.0 mm（與尖軌掉塊位置對應處）處有一些微缺陷［圖4（a）虛線區域］；根據FEI Quanta 400 掃描電子顯微鏡觀察結果［圖4（b）］，微缺陷與尖軌工作邊平行，其周圍的組織存在塑性變形，且微缺陷沿組織塑性變形的流動方向擴展；根據圖4（b）中微缺陷的能譜分析結果［圖4（c）］，其主要成分是氧、鋁、硅、鈣等元素，表明該微缺陷中存在B 類（氧化鋁類）、C 類（硅酸鹽類）混合夾雜物，夾雜物寬約25 μm。由此判斷觀察到的微缺陷應為起源于B 類、C 類混合夾雜物的微裂紋缺陷。

圖4 2#金相試樣的金相組織

在傷損尖軌距軌頂面3.5 mm 處隨機取的縱向金相試樣中也觀察到了級別為2 級的B 類超寬（最大寬度大于15 μm）非金屬夾雜物，見圖5。

圖5 傷損尖軌距軌頂面3.5 mm處非金屬夾雜物形貌

1.3 非金屬夾雜物

按照科教基〔2005〕101 號《客運專線60AT 鋼軌暫行技術條件》的要求，隨機在傷損曲線尖軌上取4個非金屬夾雜物檢測試樣，檢測面平行于軌頂面，且距軌頂面10 ～ 15 mm。按照GB∕T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》進行測試，結果見表1 和圖6。可知，隨機取的4個試樣中有3個的非金屬夾雜物不滿足科教基〔2005〕101 號的技術要求（B類、C類夾雜物均不超過1.5級）。

表1 曲線尖軌試樣非金屬夾雜物的測試結果

圖6 非金屬夾雜物金相照片

1.4 化學成分

采用ARL-4460真空直讀光譜儀，按照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射光譜法（常規法）》對傷損曲線尖軌化學成分進行測試，結果見表2。可知，傷損曲線尖軌的化學成分滿足科教基〔2005〕101號對于U71Mn牌號鋼軌的技術要求。

表2 傷損曲線尖軌化學成分測試結果 %

1.5 淬火層形貌及硬度分布

采用RB2000 洛氏硬度計，按照TB∕T 1779—1993《道岔鋼軌件淬火技術條件》的試驗方法，對尖軌軌頭寬10 mm 斷面的橫斷面淬火層形狀、深度、硬度分布進行測試，結果見圖7。可知，尖軌軌頭寬10 mm 斷面處的淬火層形狀為帽形，淬火層深度為51 mm，近表面3個測點的硬度為34.1 ～ 39.9 HRC，均滿足TB∕T 1779—1993的技術要求。

圖7 尖軌橫斷面淬火層形狀、深度及硬度分布（單位：HRC）

2 原因分析

根據傷損曲線尖軌宏觀形貌、金相組織及非金屬夾雜物分析結果可知，距尖軌軌頂面約3.5～6.0 mm處存在較粗大的夾雜物是引起尖軌內部起裂的主要原因。曲線尖軌使用過程中，在輪軌接觸應力的作用下，在踏面次表層粗大鏈狀夾雜物處萌生縱向疲勞裂紋，降低了尖軌的承載能力，最終導致尖軌在軌頭寬15 mm斷面處連續掉塊。

夾雜物是鋼材中無法完全避免的冶金缺陷，按來源可分為內生夾雜物和外來夾雜物。內生夾雜物主要是精煉到連鑄過程中的脫氧產物及澆注過程中鋼水和空氣二次氧化的產物，其尺寸通常較小，對產品質量不構成嚴重危害。外來夾雜物是由原料帶入的泥沙、熔渣、保護渣等在冶煉、出鋼、澆注過程中進入鋼中來不及上浮而滯留在鋼中，或澆注系統的耐火材料受鋼水沖刷進入鋼液而滯留于鋼中造成的，其尺寸、脆性通常較大且組成復雜，對產品質量危害較大，可能引起鋼軌探傷不合格或疲勞傷損［7］。傷損曲線尖軌踏面次表層粗大夾雜物的主要成分是氧、鋁、硅、鈣等元素，與大包下渣、中包卷渣、二次氧化產物、耐火材料卷入等原因引起的外來夾雜物組成相近［8］。提高鋼軌鋼的純凈度，加強鋼軌鋼冶金質量的控制和檢驗，減小鋼中非金屬夾雜物的數量和尺寸［9-10］，尤其是控制道岔尖軌小尺寸斷面的冶金質量是防止該類傷損產生的主要措施。

3 結論與建議

1）傷損曲線尖軌距軌頂面約3.5 ～ 6.0 mm 處存在較粗大的夾雜物是引起尖軌內部起裂的主要原因。

2）曲線尖軌使用過程中，在輪軌接觸應力的作用下，在踏面次表層粗大鏈狀夾雜物處萌生縱向疲勞裂紋，降低了尖軌的承載能力，最終導致尖軌在軌頭寬15 mm斷面處連續掉塊。

3）建議提高鋼軌鋼的純凈度，加強鋼軌鋼冶金質量的控制和檢驗，減小鋼中非金屬夾雜物的數量和尺寸，尤其是控制道岔尖軌小尺寸斷面的冶金質量。