U75V鋼軌斷件斷裂原因分析

程夢曉，茍國慶，陳輝

(1.成都鐵路局成都焊軌段，四川成都610051；2.西南交通大學材料學院，四川成都610031)

U75V鋼軌斷件斷裂原因分析

程夢曉1，茍國慶2，陳輝2

(1.成都鐵路局成都焊軌段，四川成都610051；2.西南交通大學材料學院，四川成都610031)

隨著鐵路運輸的高速化和重載化，鋼軌的傷損日趨嚴重，傳統鋼軌損壞形式主要有鋼軌局部的磨耗、機車輪空轉打滑所產生的踏面擦傷、軌端淬火層的剝落等，列車通過時巨大的沖擊載荷易促使這些損傷部位裂紋發展形成軌頭橫向疲勞裂紋，將降低線路質量，影響行車安全。針對成都焊軌段閃光焊U75V鋼軌斷件，從宏觀和微觀兩個方面分析其產生斷裂的原因，研究鋼軌中夾雜物如硫化物、硅酸鹽、Al2O3等對鋼軌產生斷裂的影響。研究表明：本鋼軌斷件的破壞是由于疲勞裂紋擴展引起的斷裂，即鋼軌核傷；而疲勞裂紋是由氧化鋁及鈣鋁酸鹽非金屬夾雜物引起。

U75V鋼軌；斷裂；夾雜物

0 前言

現代鐵路的高速化為鐵路運輸帶來了新的發展前景。由于高速鐵路采用客貨分運，且主要為客運，列車車軸輕，小半徑線路小，鋼軌的傷損形式已經由傳統的以磨耗為主轉變成以疲勞傷損為主，以往的研究表明，鋼軌內存在的Al2O3、硅酸鹽和硫化物等夾雜物對疲勞裂紋的產生有著重要影響。國外高速鐵路鋼軌標準對這些夾雜物提出了較為苛刻的要求，從而保證鋼軌中的夾雜物含量處于一個較低、無害的水平[1]。在此從宏觀和微觀的角度對成都焊軌段閃光焊U75V鋼軌斷件產生斷裂的原因進行分析，以確定其產生斷裂的原因。

1 宏觀觀察

鋼軌斷件斷口宏觀形貌如圖1、圖2所示。

圖1 鋼軌斷件斷口宏觀形貌

從圖1可看出，鋼軌斷口放射線指向鋼軌軌頂側的A區，表明斷裂源在軌頭A區。進一步觀察A區，此處平整，呈細瓷狀，具有明顯的貝殼花樣(見圖2)，可判斷為疲勞斷裂，疲勞源為貝殼花紋的中心部分(圖2中B區)，鋼軌疲勞裂紋逐漸擴展，其有效截面逐漸減小，最后不堪負荷發生突然損壞，瞬時破壞區斷面較為粗糙，標志斷裂擴展途徑的放射線清晰可見。圖2宏觀形貌表明，這就是鋼軌核傷。鋼軌核傷主要原因是在鋼軌生產中軌頭內部已存在有白點、氣泡，特別是應力集中，更為嚴重的非金屬夾雜物等。仔細觀察斷口，圖2中的B處裂紋源距軌頂15mm，距工作側面25mm，內有陰影，似為非金屬夾雜物。為進一步證實，利用掃描電鏡和能譜分析觀測。

圖2 斷口軌頭部宏觀形貌

2 微觀觀察

圖2中B區掃描電鏡照片如圖3所示。由于鋼軌含碳量高，塑性差，看不見通常在塑性好的材料如不銹鋼、低碳鋼疲勞斷口上出現的典型疲勞裂紋。但可以發現中有兩處異樣形貌的斷口，疑為夾雜物。

放大C區如圖4所示。對箭頭所指方框Ⅰ區域做能譜分析，如圖5所示。

由圖4看出，斷口上有許多夾雜物。從圖5能譜圖可以看出有Al，O，Ca等元素，判斷是以鈣鋁酸鹽和氧化鋁為主的非金屬夾雜物。

對圖6所示的Ⅱ區作能譜分析，譜圖如圖7所示。由圖7可知，該處仍然有氧化鋁及鈣鋁酸鹽存在。

對D區域內Ⅲ、Ⅳ兩處作能譜分析，其位置見圖8。能譜圖如圖9、圖10所示。

因此，從譜圖證實D區也存在氧化鋁及鈣鋁酸鹽非金屬夾雜物。

3 分析

鐵路高速化后鋼軌損壞形式由傳統的以磨耗為主轉變為以疲勞損傷為主。研究表明，鋼軌中夾雜物有硫化物、硅酸鹽、Al2O3等，Al2O3對疲勞的影響很大，特別是鏈狀Al2O3夾雜對鋼軌疲勞壽命的危害最大[2]。Al2O3及鈣鋁酸鹽夾雜屬于脆性不變形夾雜物，與基體的熱變形能力差異大(變形指數γ＝0)，在鋼軌熱軋變形時，大塊的脆性不變形夾雜物被破碎成小塊，并呈鏈狀分布。這些堅硬的形狀不規則的夾雜能將基體劃傷，尖銳的Al2O3在夾雜周圍產生應力集中場；鈣鋁酸鹽與基體脫開形成孔洞，均成為疲勞源。在鋼軌使用時的交變應力作用下，這些夾雜便成為疲勞裂紋的起點。鏈狀分布的夾雜物鏈條越長，鏈中Al2O3顆粒越多、間距越小，對疲勞性能危害越大。

圖3 疲勞源處疑似非金屬夾雜物

圖4 C區形貌及能譜分析Ⅰ區(350×)

圖5 Ⅰ方框區域能譜圖

圖6 Ⅱ方框區能譜分析區域(350×)

圖7 圖6中Ⅱ方框區域能譜圖

圖8 D區斷口形貌以及能譜分析的Ⅲ、Ⅳ區(350X)

圖9 Ⅲ方框區域能譜圖

鋼軌中的鋁主要來源是煉鋼時的脫氧劑，特別是重軌鋼過去一直沿用鋁作終脫氧劑。目前脫氧劑已采用非鋁脫氧劑，力求減少鋁的含量，高速鐵路鋼軌標準也針對不同時速的鋼軌對B類夾雜物(Al2O3屬B類夾雜物)和鋁含量作出限制，例如時速200 km標準要求B類夾雜物小于等于1.5級，w(Al)≤0.004%；時速300 km標準要求B類夾雜物小于等于1.0級，w(Al)≤0.004%[1]。

從圖3看出夾雜物呈鏈狀分布，從圖8看出夾雜物帶尖銳棱角。能譜分析表明夾雜物主要成分為Al2O3。盡管鋼軌鋼中鋁含量已能控制在規定范圍內，但如有偏析，局部區域仍有可能超標。

鋼軌核傷多發生在軌頭，軌頭裂紋源位置波動在離踏面5～19 mm處，與最大應力分布區是一致的[2]。本斷件核傷位置大體上也在此部位。

綜上所述，本鋼軌斷件的破壞是疲勞裂紋擴展引起的斷裂，即鋼軌核傷。疲勞裂紋是由氧化鋁及鈣鋁酸鹽非金屬夾雜物引起。

圖10 Ⅳ方框區域能譜圖

[1]蒲學坤.時速200km鋼軌鋼中B類夾雜物控制技術[J].煉鋼，2005(3)：26－28.

Study on the reason of U75V rail's cracking

CHENG Meng-xiao1，GOU Guo-qing2，CHEN Hui2
(1.Chengdu Welding Trail，Chengdu Railway Bureau，Chengdu 610051，China；2.Material College，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

With the high speed and over-loading of the rail-borne，the rail's damage is more an more serious.A portion of the damage is generented on the good running，for instance，partial abrasive wear of the rail，the scrape of the seating face because of the surge of the locomotive wheel and the enormous impact load is the reason of the lateral fatigue cracking when the train is on running.The research is analyzing the reseon of U75V rail's cracking，researches on the affection of the inclusion in the rail that causeing the cracking of the rail.The research demonstrate that:the cracking of the rail is fatigue-crack propagation，fatigue cracking is caused by alumina calcium-Aluminates-non-metallic inclusion.

U75V rail；cracking；inclusion

book=66,ebook=217

TG457

B

1001－2303(2010)10－0066－04

2009－03－18；

2010－01－15

程夢曉(1976—)，男，四川成都人，工程師，學士，主要從事鋼軌焊接的研究及應用工作。