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铁路与轨道交通 |
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全长淬火钢轨踏面伤损及横向疲劳断裂分析 |
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作者：邹定强 田常海 邢丽贤 卢观健 |
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摘要：对实际伤损钢轨的宏微观形貌、金相、硬度以及探伤等检验分析，确定轨头踏面下4mm～6mm区域存在纵向水平疲劳裂纹是产生全长淬火钢轨伤损的原因。检验分析表明，在轮轨接触剪应力作用下，由于淬硬层区域存在金相组织、硬度过渡不均匀等淬火缺陷，导致轨头内部纵向水平疲劳裂纹萌生和扩展，引起钢轨伤损；在分析基础上，提出预防和改进措施。
关键词：钢轨；全长淬火；伤损；横向疲劳断裂
1引言
此批钢轨为采用喷雾淬火工艺的60kg/mU74钢轨。从1993年上道至2001年底累计通过总重接近5亿吨，在服役过程中钢轨的踏面先后产生局部凹陷压溃、掉块甚至发展为钢轨横向疲劳断裂。特别是自2000年下半年提速以来，此批钢轨伤损发展日趋严重，已在2001年11月份前换下了总长约十几公里的重伤轨。为分析伤损原因，我们
对6根长1m左右有代表性的伤损轨进行了检验分析。
2检验分析
2.1踏面下4mm～6mm纵向水平裂纹与踏面伤损的关系
根据轨头踏面伤损及横向断口形貌的宏观特征(图1、图2)，可判定有3种轻重不同的伤损情况:踏面局部压溃凹陷(图1a)；轮轨走行面的浅层掉块(图1b、图1c)；严重时发展成钢轨横向断裂(图2)。
图1轨头踏面伤损形貌
图2钢轨断口宏观形貌
图1a中轨头踏面局部压溃凹陷分布没有规律性，为不等间距的分布。其压溃处的波谷深度约为014mm～0185mm，波长约为70mm～110mm。图1b轨头踏面除有上述表面缺陷外，还可观察到掉块形貌，掉块的深度普遍为1mm左右。图1c钢轨掉块更为严重，最大深度约为5mm左右。这些掉块并不是分布在剥离裂纹明显的轨距角部位，而是位于轨头踏面约1P3宽(靠近轨距角)的部位；该种掉块缺陷的宏观形貌特征不同于由剥离裂纹发展的剥离掉块，也不同于踏面擦伤层发展的擦伤掉块[1]。
根据图2踏面伤损严重发展为横向断口的宏观形貌特征，可将断口分为纵向裂纹和掉块区、横向疲劳扩展区和脆性断裂区[2]。在踏面下约5mm深处有一纵向水平裂纹，其宽度达45mm。靠近断口的纵向裂纹上部的踏面金属已局部碎裂和掉块。横向疲劳断口的裂纹源是位于轨头踏面纵向水平裂纹处。疲劳扩展区的宽度达到26mm，深度达到28mm。当疲劳扩展区发展到上述尺寸时，钢轨沿横向发生瞬时断裂。
经探伤发现，凡轨头踏面压溃凹陷处，其下约4mm～6mm处均有纵向水平裂纹，严重的几乎宽至整个轨头宽，而裂纹纵向长度则与每一压溃形成的凹陷两波峰间的波长相吻合。用便携式硬度计测量踏面局部压溃凹陷处和无伤损处的表面硬度。测量结果表明，踏面局部压溃凹陷处的表面硬度略高于其它部位。这与踏面压溃处表层金属加工硬化有关。因此，可以断定钢轨踏面局部压溃凹陷与踏面下存在纵向水平裂纹有对应关系，这3种情况伤损实际上是踏面下4mm～6mm纵向水平裂纹发展到不同阶段的结果。
以上宏观形貌、探伤和踏面硬度等检验分析表明，在踏面下4mm～6mm纵向水平裂纹产生和发展，是造成钢轨踏面伤损的直接原因。
2.2踏面下纵向水平疲劳裂纹产生的原因
经对横截面研磨并腐蚀后，从淬硬层的形貌上可观察到由于冷却不均出现深浅不一的花纹(图3，图4)。同时在不同钢轨样上截取的轨头横断面中有5块距踏面下4mm～6mm深处均有纵向水平裂纹，裂纹呈弧线形凹向轨头踏面(图3)。
图34#样淬硬层形貌
图43#样淬硬层形貌及硬度测点
对3#淬硬层试样进行洛氏硬度测试，测试结果如图5。从测试结果看，浅色条带上硬度明显偏低，大约在HRC3315～HRC36，比同一水平线上黑色区域低HRC4～HRC6，造成横截面在水平方向硬度不均，而这一区域正好在距踏面下4mm～6mm处，即产生纵向水平裂纹的地方。
图53#样淬硬层不同区域硬度测试结果示意图
对图4所示钢轨横截面进行金相组织观察发现，浅色条带区域珠光体片层间距较宽，相对硬度也低一些。在浅色条带的左下和右上黑色区域组织形态基本相似，为细珠光体组织、极少量铁素体，这里的硬度相对于浅色区域则要高一些。尤其是在左侧颜色最深的条带区域发现存在异常的贝氏体组织(图6)，使此处硬度偏高。这一位置恰好在踏面下4mm～6mm处。由此可见，由于淬火冷却速度不均匀，使不同区域淬硬层组织形态存在差别，在踏面下4mm～6mm处不仅有珠光体片层较宽的软带区，而且有较硬的贝氏体区，使局部硬度偏高或偏低，造成淬硬层硬度从表面向内部以及在同一水平方向均有波动。
图6深色条带区域金相组织×400
在金相观察过程中，踏面下4mm～6mm处裂纹附近均未发现严重超标的非金属夹杂物。将3#轨头踏面凹陷处连续间隔20mm切取五块，横断面进行研磨抛光后观察踏面下裂纹的分布情况。其宏观上为一连续的、凹向踏面的、近似椭圆形裂纹面。裂纹位于踏面下约0mm～6mm范围区域，长度约60mm，宽度达到50mm。裂纹在轨距角工作面一侧发展迅速并最先扩展到踏面或轨距角工作面。为观察裂纹面扩展情况，将表面揭开，其形貌如图7，从图中清晰可见裂纹源位置(箭头所指)以及疲劳扩展的弧线形貌。在与其相邻的横截面对应位置可以清楚地看到，疲劳源就起源于宏观横截面上浅色条带与深色区域的交会点踏面下4mm～6mm处(图8箭头所指)。
图73#～6#样踏面下裂纹揭盖后宏观形貌
图83#～7#样与3#～6#样疲劳源对应位置(箭头所指)
3分析讨论
3.1钢轨横向断裂的原因
通过宏观形貌、探伤和踏面硬度等检验分析结果表明，轨头踏面下4mm～6mm范围内出现的内部纵向水平疲劳裂纹，是导致钢轨踏面局部凹陷和掉块并产生钢轨横向断裂的原因，在踏面下4mm～6mm纵向水平裂纹的产生和发展，是造成钢轨踏面伤损的直接原因。在踏面下接触剪应力分布区一定深度范围内，水平剪应力τ0起主要作用，形成平行于踏面的疲劳裂纹面[4]；纵向裂纹在钢轨内部产生后，在轮轨接触剪应力的作用下向钢轨纵向及轨头两侧方向扩展，其中向轨距角一侧发展较快，裂纹面呈近似椭圆形凹向踏面。裂纹上下周围金属在轮轨接触应力作用下发生相对显微移动和辗压塑性变形，使钢轨踏面局部压溃凹陷。当纵向水平疲劳裂纹发展至踏面时，踏面与纵向水平裂纹间的轨头金属层由于受到辗压开始碎裂和掉块；随着掉块面积和深度的扩大，与接触面成45°方向剪应力会使纵向水平疲劳裂纹面在薄弱处形成横向疲劳源，在轮轨冲击力和动弯曲应力的作用下向深处扩展，最终造成钢轨横向断裂。
3.2轨头内部纵向水平疲劳裂纹的形成
轨头内部纵向水平疲劳裂纹的形成，主要与钢轨轨头全长热处理的淬硬层质量有关。钢轨淬硬层形貌有异常，金相组织浅色区域珠光体片层间距较大，黑色条带处金相组织中出现贝氏体。浅色区域硬度偏低而深色区域硬度偏高，其交界区位置是在踏面下4mm～6mm，造成此处组织应力波动。而这区域又正好是轮轨接触剪应力最大的地方[5]，因此当钢轨在不断受到最大剪应力作用时，在应力波动处将最先萌生裂纹，并在接触剪应力作用下不断扩展。
4结论
全长淬火钢轨踏面下纵向水平疲劳裂纹产生的原因，是由于轨头存在淬火缺陷造成的。钢轨淬硬层在踏面下4mm～6mm处硬度、组织不均匀，造成组织应力有波动。在轮轨接触最大剪应力作用下，首先在此处产生纵向水平疲劳裂纹源，随着裂纹的不断扩展，裂纹以上至踏面的金属层被不断辗压变形，使踏面局部凹陷、掉块；掉块严重时在掉块根部由于受到轮轨冲击力和动弯应力的作用，萌生横向疲劳裂纹源并不断扩展，最终发生钢轨的横向断裂。
5改进与预防措施
U74钢轨含碳量偏低，淬火性能较差，且由于喷雾全长淬火工艺喷嘴容易堵塞，造成雾化效果不好，钢轨冷却速度波动范围大[4]，极易使淬火帽形和组织出现异常。从而使钢轨在使用中出现问题。为适应我国铁路提速、重载的繁忙运输形势，铁运函[2003]49号已明确规定自2003年7月1日起停止采购和使用性能较差的U74钢轨。同时为保证钢轨全长淬火的性能与质量，铁道部已与各钢厂协商制定了淬火轨质量管理办法，以规范成分控制，并已着手制定相应标准。喷风淬火工艺由于加热冷却的均匀性比喷雾工艺要高，淬火质量稳定，目前也正在逐步得到推广和应用。(end)
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(12/25/2006) |
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