解析鋼軌矯直斷裂原因

梁偉

摘要：隨著我國建設(shè)社會主義現(xiàn)代化進程的不斷加快，經(jīng)濟水平得到顯著提升，這其中交通運輸發(fā)揮了不可磨滅的作用，尤以鐵路運輸線最為重要。鐵路運輸線路的安全可靠為經(jīng)濟的飛速發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，質(zhì)量上乘、性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鋼為鐵路線路的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但鋼軌在矯直過程中由于各種各樣的原因發(fā)生斷裂情況，為鋼軌的加工冶煉提出了技術(shù)難題，使鐵路事業(yè)的發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。本文以貝氏體鋼軌、道岔軌和異型鋼軌為例，解析鋼軌在矯直過程中發(fā)生斷裂的原因。

關(guān)鍵詞：鋼軌;矯直斷裂;原因

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展與融合，交通在得到大發(fā)展的同時也在面臨著新挑戰(zhàn)，在二十一世紀(jì)解決交通問題最有效的方式還是大力發(fā)展鐵路運輸，尤其是高鐵和地鐵，鐵路線具有高效率、高速度、大容量、安全性、舒適性等無可替代的優(yōu)勢。但鐵路事業(yè)發(fā)展也存在著諸多問題，矯直斷裂便是其中之一，本文以貝氏體鋼軌、道岔軌、異型鋼軌為例著重分析其斷裂原因，為鋼軌加工工藝提供發(fā)展新空間。

1.晶間脆性導(dǎo)致脆性斷裂

鋼軌的斷裂處通常較為平坦，沒有凹凸起伏，斷面放射線明顯，放射紋路起源于軌頭的不同位置，斷口附近沒有異常塑性變形，屬于脆性斷裂斷口[1]。科技和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對鐵路運輸速度提出了新要求，同時對高強度鋼軌的需求也日益增加，貝氏體鋼軌的高強度、高韌性和高抗拉強度是適應(yīng)當(dāng)前鐵路發(fā)展的不二之選 。但貝氏體鋼軌在矯直過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象，通過觀察實驗發(fā)現(xiàn)其斷裂原因為脆性斷裂。

1.1 檢驗分析

采用電子顯微鏡掃描斷口觀察可知，斷口附近含有大量復(fù)合夾雜物，斷裂口附近呈沿晶特征，且斷面處存在大量二次沿晶裂紋痕跡。通過金相檢測可以看出，貝氏體鋼軌斷面裂紋處均為馬氏體和貝氏體，還有大量沿晶裂紋，而遠(yuǎn)離裂紋處顯微組織則為少量貝氏體和馬氏體。

1.2 綜合分析

鋼軌矯直過程中發(fā)生多處斷裂，通過微觀分析和金相檢測可以看出斷裂原因起源于軌頭部位的脆性斷裂，顯微鏡觀察可知斷裂形式為沿晶脆性斷裂。金相檢測得出斷裂處的顯微組織中含有大量針狀馬氏體，導(dǎo)致斷裂部位硬度高于其他部位，說明鋼軌軌頭斷裂處存在大量馬氏體的晶間脆性是導(dǎo)致斷裂的最主要原因。綜上所述，由于鋼軌軌頭馬氏體晶間脆性的作用，導(dǎo)致鋼軌在矯直時，從脆性集中部位的夾雜物處開始斷裂，裂紋沿脆性晶界擴散最終導(dǎo)致斷裂。

1.3 結(jié)論與建議

分析可知，大量馬氏體夾雜物集中的晶間脆性是導(dǎo)致斷裂的主要原因，當(dāng)鋼軌收到外力作用時，就會產(chǎn)生裂紋，斷裂由裂紋始逐漸擴展形成鋼軌脆性斷裂。為避免鋼軌的這種斷裂形式，可以從提高鋼的純凈度和冶煉工藝入手，根據(jù)鋼材的尺寸和環(huán)境溫度調(diào)整冷卻工藝。

2.熱工藝不當(dāng)導(dǎo)致氧化斷裂

熱加工工藝的不成熟是導(dǎo)致鋼軌矯直過程中斷裂的一大因素。以道岔軌為例，具體分析熱加工不當(dāng)使得鋼軌部分部位氧化嚴(yán)重最終導(dǎo)致鋼軌斷裂。

2.1 檢驗分析

通過觀察鋼軌斷裂面形貌可知：斷裂口附近出現(xiàn)分層和裂縫，斷口處顯微組織晶粒粗大，分層處表面比較粗糙，呈朽木狀。金相檢測得出斷口周圍有脫碳，斷口表面覆蓋較厚的氧化膜[2]，經(jīng)過化學(xué)成分分析可知其主要化學(xué)成分為氧化鐵。

2.2 綜合分析

從檢驗結(jié)果分析得出，矯直斷裂斷口處表面覆蓋較厚的氧化膜，其斷裂形貌呈朽木狀，斷口晶粒粗大，氧化嚴(yán)重，裂紋周圍有明顯的脫碳現(xiàn)象，種種分析結(jié)果表明斷裂原因與加熱溫度相關(guān)。以道岔軌為例，加熱工藝大多采用感應(yīng)加熱，用3到4分鐘的時間將鋼軌從850攝氏度加熱到1210攝氏度，由于加熱時間過短而升溫速度要求高，必然導(dǎo)致鋼軌表面氧化，鋼軌內(nèi)部溫度偏低的情況發(fā)生。因此，在矯直過程中出現(xiàn)斷裂，斷口處分層，晶體粗大等現(xiàn)象。

2.3 結(jié)論與建議

加熱工藝不當(dāng)是導(dǎo)致鋼軌矯直斷裂的原因之一，鋼軌內(nèi)外部受熱不均勻，導(dǎo)致部分氧化嚴(yán)重，在外力作用下，容易產(chǎn)生斷裂。建議在冶煉鋼軌時，根據(jù)不同種類的鋼種采取不同的加熱工藝，降低鋼軌斷裂可能性，增加生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材的概率，為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)添磚加瓦。

3.軌腰次表層缺陷導(dǎo)致斷裂

鋼軌加熱過程中，加熱溫度過高，軌腰表層部分區(qū)域發(fā)生沿晶氧化現(xiàn)象，在矯直過程中，由于軌腰表層受拉應(yīng)力作用，沿晶氧化部位容易產(chǎn)生裂紋，隨之的矯直過程中，軌腰三點彎曲受力，裂紋處集中受力致使裂紋擴展，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂[3]。

3.1 檢驗分析

以異型鋼為例，觀察斷口形貌，斷口銹蝕嚴(yán)重且分為兩個部分：原始缺陷部分和重新起裂擴展部分，電鏡分析得出斷口處沒有明顯夾雜物出現(xiàn)。金相檢測結(jié)果表明，裂紋裂縫中有大量呈網(wǎng)狀分布的氧化鐵等氧化物，且周圍存在較多珠光體組織，裂紋有沿晶特征。

3.2 綜合分析

由斷口銹蝕嚴(yán)重可知裂紋起源于鋼軌軌腰一側(cè)表層，后逐漸向軌腰里側(cè)橫向擴展，最終導(dǎo)致斷裂。軌腰表層的原始缺陷處和次表層的斷裂處都沒有聚集物，可知斷裂與冶煉質(zhì)量無關(guān)，導(dǎo)致其斷裂的直接原因是矯直前軌腰次表層缺陷。矯直前的軌腰次表層已經(jīng)有缺陷，在矯直過程中軌腰三點受力導(dǎo)致缺陷處集中受力，產(chǎn)生裂紋并擴展成鋼軌斷裂。裂紋處有沿晶特征且出現(xiàn)氧化物，說明原始缺陷是由于加熱溫度過高，導(dǎo)致過高沿晶氧化，造成晶間結(jié)合力降低，在矯直中產(chǎn)生斷裂。

3.3 結(jié)論與建議

軌腰次表層微裂缺陷使得在矯直時鋼軌三點集中受力，微裂擴展導(dǎo)致鋼軌斷裂。建議在冶煉鋼軌時，著重提高冶煉技術(shù)，控制好加熱溫度，降低鋼軌軌腰缺陷出現(xiàn)的可能性，提高鋼軌韌性和可抗拉能力，鍛造優(yōu)質(zhì)鋼軌，為鐵路的發(fā)展提供先機。

4.結(jié)語

世界鐵路的發(fā)展在本世紀(jì)邁入一個新的紀(jì)元，具有高技術(shù)的鐵路運輸在全球受到愈來愈高的追捧，以日本新干線列車為代表的新型客車和重載列車的問世，向世人展示了高科技現(xiàn)代化鐵路的迷人風(fēng)采以及廣闊的發(fā)展前景。解決好鐵路運輸面臨的問題是促進國家各方面發(fā)展的重要契機，其中鐵路鋼軌作為鐵路運輸?shù)幕A(chǔ)，其質(zhì)量的好壞決定了鐵路運輸?shù)南冗M性，同時，一定程度上適應(yīng)了國家經(jīng)濟的發(fā)展速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]李淑華.鋼軌矯直開裂原因分析[J].北京科學(xué)出版社，2012，4（33）：127-135.

[2]付國茹.材料的塑性變形及斷裂[M].理化檢驗物理分冊，2010，7（09）：78-83.

[3]陳建軍.高強度高韌性鋼軌研究[J].中國鐵道出版社，2012，7（13）：46-52.