W形彈條疲勞斷裂分析及對策

于毫勇 凡艷麗 張遠慶 張晟 呂明奎 王釗 宋希朝 徐海濤 徐伊

北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司， 北京 102206

在扣件系統中，彈條提供扣壓力，限制鋼軌產生縱向及橫向位移，同時將軌枕與鋼軌連接為整體，并利用自身所具有的彈性變形能力來吸收和減緩鋼軌受到的機械振動和沖擊。隨著高速鐵路運營里程的增加和維修費用的減少，高速鐵路彈條失效的問題日益突出。失效研究主要集中在材質（表面質量和脫碳［1-2］、內部夾雜物［3］、內部組織［4］）、動靜應力［5］、安裝扭矩過大［6］、腐蝕磨損［7］，輪軌瞬態響應對彈條傷損的影響［8］，鋼軌波磨引起的扣件病害［9］等。

W 形彈條采用?14 mm 的60Si2Mn 彈簧鋼生產，工藝流程為：下料→中頻感應加熱→壓力機三次成型→淬火液淬火→網帶爐回火→拋丸→多元合金共滲+鈍化→檢驗合格入庫。疲勞試驗采用PT?20A 疲勞試驗機，按TB/ T 1495—2020《彈條Ⅰ型扣件》進行，設計組裝位移為14 mm，動態位移為-2.0 ～ +0.5 mm，加載頻率16 Hz；TB/T 3395.5—2015《高速鐵路扣件 第5部分 WJ?8型扣件》要求5 × 106次循環不能斷裂。

彈條在出廠前均要進行出廠檢驗，檢驗項目包括型式尺寸、外觀、標志、表面裂紋、硬度、金相組織、脫碳層、殘余變形。疲勞性能為型式檢驗項目，但可以直接反映彈條的使用壽命，是后續維護中重要的參考依據。

本文以某斷裂彈條為研究對象，利用金相顯微鏡、SEM、洛氏硬度計、布氏硬度計等設備，分析彈條斷裂原因，并給出相應改進措施。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

某批號W 形彈條在疲勞試驗過程中發生斷裂，如圖1 所示。斷裂試樣對應的疲勞次數為555230，初始彈程14.38 mm。原材料采用某鋼廠生產的60Si2Mn彈簧鋼，爐號2214292。

圖1 彈條斷裂位置

1.2 試驗方法

將斷裂彈條放在平臺上，前端標識出某測點A，用百分表測量該點相對高程（h0），讀數精確至0.01 mm。隨后，采用PT?20A 彈條疲勞試驗機，將彈條根部嵌入硬質金屬嵌入塊的圓弧內，安裝方法見圖2。將疲勞試驗機壓頭逐漸向下移動，達到組裝位移后，繼續施加動態位移。循環5 × 106次后，在A 點測量高程（h1），則可以得出疲勞試驗殘余變形Δh=h0-h1，要求Δh≤ 1.00 mm。

圖2 彈條疲勞試驗裝置（單位：mm）

從與斷裂試樣同批次的彈簧鋼中取樣，加工拉伸試樣，見圖3。采用WDW?300 微機控制材料試驗機，按GB/ T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》測試其拉伸性能；截取55 mm × 10 mm ×10 mm 試樣，加工出U 形缺口，采用E22.452 沖擊試驗機，按GB∕ T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，按GB/ T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》測試其布氏硬度。

圖3 60Si2Mn彈簧鋼拉伸試樣（單位：mm）

從斷裂彈條上截取13 ～ 21 mm 試樣，拋光后采用ARL 4460直讀光譜儀對彈條化學成分進行分析。

利用ZXQ?5 鑲嵌機鑲嵌截取試樣，用砂紙粗磨后，在M?2 金相預磨機上用粒度600 目的金剛砂進行細磨，采用HR?150A 洛氏硬度計對其表面進行硬度檢測。

使用2% ～ 4%的硝酸酒精溶液對拋光后表面輕腐蝕后，采用AxioVert. A1 金相顯微鏡對彈條進行金相組織分析，同時按GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》中的金相法分析脫碳層深度。

采用超聲波將斷口試樣清洗后用酒精沖洗干凈，用吹風機吹干。然后，采用Thermo Fisher Scientific 廠家生產的Apero C 型掃描電鏡對斷口進行掃描，再采用EDAX（Energy Dispersive X?Ray Analysis）對試樣進行能譜分析，結合Tru?Q?技術確保成分檢驗定量結果的準確性。

2 試驗結果及分析

2.1 化學成分和力學性能

彈條化學成分（質量分數）見表1。原料（爐號2214292）的出廠檢（生產廠家自檢）與入廠檢得到的力學性能見表2。可知：化學成分和力學性能均滿足GB/ T 1222—2016《彈簧鋼》中60Si2Mn的要求。

表1 彈條的化學成分%

表2 原料爐號（2214292）出廠檢與入廠檢結果

彈條金相組織見圖4。可知：其組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，心部有微量的斷續鐵素體，組織狀態良好，無異常。測試結果表明：脫碳層深度最大值為0.071 mm，滿足TB/ T 3395.5—2015 中不大于0.13 mm 的要求；回火后硬度45 ～ 46 HRC，滿足TB/ T 3395.5—2015中42 ～ 47 HRC的要求。

圖4 斷裂彈條的金相組織

可見，原材料化學成分、力學性能和產品最終的性能指標均滿足標準要求。

2.2 斷口宏觀形貌

斷裂彈條的斷裂位置（參見圖1）位于尾部跟端支點附近，且靠近圓弧處，斷裂位置的彈條表面質量良好，不存在試驗加載痕跡。斷口宏觀形貌見圖5。可知：斷口具有典型疲勞斷裂特征，包括裂紋源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區，斷口平齊，有明顯的放射棱線，擴展區疲勞輝紋明顯。

圖5 斷口宏觀照片

2.3 斷口掃描電鏡觀察

圖6為斷裂彈條表面兩個不同位置的掃描電鏡圖樣。由圖6（a）可以看出：對于掃描位置1，在距表面約100 μm處有圓球狀夾雜物，嚴格判定應為單顆粒球狀DS 夾雜物，直徑約18.2 μm；夾雜物附近顏色偏暗，晶界偏亮，斷裂從夾雜物處起源，疲勞輝紋呈放射狀分布。能譜分析［圖7（a）］發現，夾雜物中有Ca、Si、P、O等元素，其成分與中包覆蓋渣類似。由圖6（b）可以看出：對于掃描位置2，距表面約80 μm 處有長條狀白亮夾雜物，長度約為25 μm，寬度約為5 μm；沿夾雜物有滑移線出現，放大后可見細小韌窩，判斷斷裂為延性斷裂。能譜分析［圖7（b）］發現，夾雜物中有Ca、Si、P、O、K 等元素，其中K 元素為結晶器保護渣所特有的成分。圖7中，Wt為質量百分比，σ為誤差。

圖6 斷裂彈條表面掃描電鏡圖樣

圖7 夾雜物1及夾雜物2能譜分析

3 非金屬夾雜物

3.1 疲勞裂紋的起源

鋼中非金屬夾雜物在煉鋼過程中是不可避免的，主要在鋼的脫氧過程中產生。鋁鎮靜鋼普遍采用鋁脫氧和鈣處理，元素Al 和Ca 的存在對夾雜物的成分有明顯的影響。爐外精煉可以有效改變夾雜物成分，吸附渣中夾雜物。精煉過程中的吹氬和真空處理促進了鋼中夾雜物向渣中的去除。連鑄過程中采用保護渣澆鑄，避免了鋼液的二次氧化。

根據試驗結果，裂紋起源于夾雜物處，而該夾雜物由于含有K 元素，可推斷是澆注過程在結晶器和中包中發生了卷渣。追查該批號生產過程發現，液面的確存在波動，澆注過程發生了卷渣。

渣子進入鋼中后，與基體的結合通常是不完全的，相互之間往往存在一定的間隙，即材料本征裂紋［10-12］。非金屬夾雜物、碳鋼（室溫）以及彈條金屬基體的彈性模量和平均線性熱膨脹系數［13-15］見表3。可知：對于Ca、Si、O元素形成的夾雜物，體積收縮比小于基體［16］。彈性模量不同，則受外力時變形不同。因此，在冷卻凝固過程中，夾雜物的體積收縮比周圍金屬要小，從而導致夾雜物與金屬基體之間形成空隙，導致形成裂紋最初的起源。

表3 非金屬夾雜物和鋼的彈性模量和熱膨脹系數

隨著疲勞試驗的進行，裂紋趨向于最大剪切應力方向，當裂紋逐漸長大并合并到一定的尺寸時，在所加載應力條件下開始擴展。由于材料具有回復性，在此過程形成疲勞輝痕。最終，裂紋垂直于最大應力軸方向擴展直至試樣表面，宏觀表現為疲勞斷裂。

3.2 疲勞極限的確定

高強度鋼疲勞行為的本質是由于高強度鋼對細小的缺陷和夾雜物非常敏感，缺陷和夾雜物形狀和位置的多樣性導致疲勞強度分散性較強。然而，鋼中的非金屬夾雜物在煉鋼過程中是不可避免的。夾雜物的成分、尺寸、形狀、數量和分布對鋼的強度、韌性、疲勞、耐蝕性等性能有重要影響［17］。鋼中夾雜物對疲勞性能的影響應該考慮的因素包括夾雜物的形狀、夾雜物與基體的黏附、夾雜物和基體的彈性常數以及夾雜物的尺寸。這些因素都與夾雜物周圍的應力集中因子和應力分布有關。相關學者們試圖通過假設夾雜物為球形或橢圓形來定量評估夾雜物的應力集中因子，但這些假設只是粗略估計，因為幾何形狀的輕微偏差都會對應力集中因子產生很大的影響。用應力集中系數來估計鋼的疲勞強度是不實際的，因為在高強鋼中發現的魚眼中心夾雜物形狀各異，有些遠不是球形或橢圓形。

Murakami［18］研究了基本疲勞機理和評價疲勞斷裂應力與非金屬夾雜物尺寸和位置的相關性，得到表面夾雜物處的疲勞極限，表達式為

而對于內部夾雜物，則有

式中：σw為疲勞極限；HV為基體維氏硬度；As為表面缺陷投影到垂直于最大拉應力平面上的投影面積；Ai為內部缺陷投影在垂直于最大拉應力平面上的投影面積，≈1.69。

對于斷裂彈條，非金屬夾雜物實質上等同于缺陷或空洞，因此等同于具有相同投影面積的裂紋。需要注意的是，盡管形狀、化學成分等都可能影響應力集中系數從而影響裂紋萌生的臨界應力，但這些并不是確定疲勞極限的主要因素，因為疲勞極限是由裂紋擴展條件決定的，其值總是大于裂紋萌生應力。

熱處理后彈條硬度為45 ～ 46 HRC，對應維氏硬度為450 ～ 460 HV。夾雜物1［參見圖7（a）］為球形，直徑18.2 μm，其疲勞極限為512.8 MPa；夾雜物2［參見圖7（b）］為長條形，長約25 μm，寬約5 μm，其疲勞極限為378.5 MPa，數值均遠遠小于正常彈簧鋼的疲勞極限（約687 MPa），在疲勞試驗過程中易從夾雜物處斷裂。

3.3 生產改進措施

TB/ T 3395.5—2015 中對非金屬夾雜物的要求見表4。為避免彈條的潛在缺陷，要求原材料進廠檢驗增加DS 夾雜物級別判定，指標為DS 類（單顆粒球狀）不大于2.0 級，同時還要關注非金屬夾雜物所處的位置，近表面處（邊緣到夾雜物距離不大于0.1 mm）存在夾雜物時直接作退貨處理。采用上述方法后，后續生產的彈條在疲勞試驗過程未出現斷裂。

表4 TB/T 3395.5—2015中非金屬夾雜物判定要求

根據上述分析，建議TB/ T 3395.5—2015 增加DS夾雜物級別和非金屬夾雜物位置檢驗。

為從源頭控制原材料質量，建議鋼廠穩定生產工藝，嚴格執行爐外精煉、真空脫氣等各個環節工藝流程和工藝參數；連鑄時采用全程保護澆鑄、中包和結晶器液面自動控制，中間包采用雙層堿性覆蓋劑和擋渣墻，嚴格執行恒拉速、恒液面、恒溫度等操作；加強非金屬夾雜的過程質量控制及檢驗。

4 結論及建議

1）彈簧鋼澆注過程液面波動過大，導致保護渣卷入鋼液，疲勞試驗過程中從夾雜物處萌生裂紋；隨著疲勞試驗的進行，裂紋不斷擴大，直至疲勞斷裂。

2）原材料進廠增加DS 夾雜物級別和非金屬夾雜物位置判定后，所生產的彈條在疲勞試驗過程中未出現斷裂。

3）建議鋼廠加強煉鋼和澆鑄過程中非金屬夾雜的過程質量控制，并加強生產過程及出廠時夾雜物的檢驗。

4）建議TB/ T 3395.5—2015 增加DS 夾雜物級別和非金屬夾雜物位置檢驗。