60Si2CrA Ⅱ型彈條斷裂原因

楊彥飛, 敬雄剛, 趙紅威, 齊紅梅

(寶雞市礎(chǔ)石金屬檢測有限責(zé)任公司, 寶雞 721006)

隨著我國鐵路重載化、高速化發(fā)展以及行車密度日益增加，鐵路扣件系統(tǒng)面臨著更加復(fù)雜的工況，對其相關(guān)零部件也提出了更高的性能要求[1]。彈條是鐵路扣件系統(tǒng)中限制鋼軌縱向位移、橫向位移，連接鋼軌與軌枕的關(guān)鍵零部件，其利用自身彈性變形儲(chǔ)存的能量來緩解鋼軌整體受到的機(jī)械振動(dòng)和沖擊作用，在服役過程中往往承受較為復(fù)雜的彎曲-扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力，有時(shí)還受到突然的沖擊載荷作用。近年來，彈條失效問題日益突出[2-5]，某線路上一個(gè)Ⅱ型彈條扣件在服役過程中斷裂，彈條的材料為60Si2CrA熱軋彈簧圓鋼，服役時(shí)間為6 a多。為分析該彈條斷裂的原因，筆者對其進(jìn)行了一系列的相關(guān)理化檢驗(yàn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對斷裂彈條的宏觀形貌進(jìn)行觀察，斷裂位置為側(cè)肢中后部(見圖1)。彈條表面防腐涂層已基本剝落，表面銹蝕嚴(yán)重，可見大量點(diǎn)蝕坑，已形成麻面，未見裂紋及局部擦傷痕跡。斷口整體較為平坦(見圖2)，周圍無宏觀塑性變形痕跡，裂紋源位于彈條側(cè)肢中后部下方，覆蓋有大量深黃色腐蝕產(chǎn)物，輻射出放射狀條紋；擴(kuò)展區(qū)可見清晰的貝紋線，為典型疲勞斷裂特征，腐蝕產(chǎn)物沿貝紋線富集；瞬斷區(qū)位于斷口最邊緣位置，所占面積較小，呈剪切唇形態(tài)。彈條的斷裂形式初步判斷為腐蝕疲勞。

圖1 斷裂彈條宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在裂紋源附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分滿足GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》對60Si2Cr鋼的要求。

表1 斷裂彈條的化學(xué)成分 %

1.3 硬度測試

對彈條進(jìn)行洛氏硬度測試(C標(biāo)尺)，測試結(jié)果為43.5 HRC，44.0 HRC和43.0 HRC，滿足TB/T3065.2—2002 《彈條Ⅱ型扣件 第二部分：彈條》 對彈條硬度的要求(42～47 HRC)。

1.4 金相檢驗(yàn)

在裂紋源附近沿軸向取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示，依據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中的A法進(jìn)行非金屬夾雜物評級，檢測結(jié)果為A0,B0,C0,D0.5，DS0 級，符合GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》對非金屬夾雜物的要求。裂紋源附近的顯微組織為回火索氏體，脫碳層深度約為0.075 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3065.2—2002對彈條顯微組織及脫碳層深度的要求。在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)大量的點(diǎn)蝕坑，說明彈條外表面的腐蝕較為嚴(yán)重。

圖3 斷裂彈條金相檢驗(yàn)結(jié)果

1.5 斷口分析

將斷口用酒精超聲清洗后烘干，利用掃描電鏡觀察斷口形貌。在裂紋源區(qū)可見蘑菇狀腐蝕產(chǎn)物[見圖4a)]，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋[見圖4b)]。在酒精中加入少量鹽酸，再次超聲清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察，裂紋源處可見一處深度約為0.13 mm的凹坑[見圖4c)]，凹坑處有泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物附著[見圖4d)]，對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析(見圖5)，結(jié)果如表2所示，可知腐蝕產(chǎn)物主要含有氧、鐵元素，為鐵的氧化產(chǎn)物Fe2O3。

圖4 斷口微觀形貌

圖5 斷口能譜圖及測點(diǎn)位置

表2 能譜分析結(jié)果 %

2 綜合分析

經(jīng)上述理化檢驗(yàn)綜合分析，彈條的化學(xué)成分、硬度、非金屬夾雜物、顯微組織、脫碳層深度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明彈條斷裂與材料本身及熱處理工藝無關(guān)。通過斷口宏觀及微觀觀察，疲勞斷口三區(qū)特征明顯，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞輝紋，裂紋源處發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑，有泥狀腐蝕產(chǎn)物附著，能譜分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化產(chǎn)物Fe2O3，因此確定斷裂形式為腐蝕疲勞斷裂。

綜上所述，彈條防腐涂層剝落及其長時(shí)間暴露在空氣等腐蝕介質(zhì)中，彈條表面被腐蝕形成蝕點(diǎn)，蝕點(diǎn)連接起來并逐漸擴(kuò)展延伸，最終在彈條表面形成深淺不一的腐蝕凹坑缺陷，腐蝕凹坑降低了彈條該處的疲勞強(qiáng)度并產(chǎn)生應(yīng)力集中。彈條在服役過程中，尾部跟端支點(diǎn)附近承受著更大的交變載荷及沖擊載荷，使得裂紋在腐蝕凹坑處萌生并不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

彈條表面防腐涂層剝落使其長時(shí)間暴露在腐蝕介質(zhì)中是造成彈條腐蝕疲勞斷裂的主要原因。建議優(yōu)化彈條防腐防銹處理工藝，提高彈條的耐腐蝕性能。