地鐵鋼軌軌腰開(kāi)裂失效分析

李二勇, 王 建, 張奕梁

(深圳市帆泰檢測(cè)技術(shù)有限公司, 深圳 518055)

地鐵鋼軌軌腰開(kāi)裂失效分析

李二勇, 王 建, 張奕梁

(深圳市帆泰檢測(cè)技術(shù)有限公司, 深圳 518055)

采用化學(xué)成分分析、斷口宏觀和微觀分析、金相分析、硬度測(cè)試等方法，對(duì)某地鐵鋼軌軌腰位置發(fā)生開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：焊瘤表面質(zhì)量差、焊縫中心存在網(wǎng)狀鐵素體以及基材非金屬夾雜物含量超標(biāo)等因素，導(dǎo)致鋼軌在軌腰位置于外力作用下發(fā)生一次性脆性開(kāi)裂。最后針對(duì)鋼軌開(kāi)裂原因提出了改進(jìn)措施。

軌腰；焊縫缺陷；網(wǎng)狀鐵素體；夾雜物；脆性開(kāi)裂

地鐵軌道某段運(yùn)行2 a(年)左右，在日常檢查中發(fā)現(xiàn)某處軌腰出現(xiàn)平行于軌頭踏面的裂紋，且裂紋已經(jīng)貫穿軌腰寬度,如圖1和圖2所示。鋼軌材料為U75V軌道鋼，軌道所處隧道溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)正常。鋼軌閃光焊后無(wú)損檢測(cè)及日常無(wú)損檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)焊瘤處有明顯裂紋。為查明鋼軌開(kāi)裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

采用化學(xué)元素分析法對(duì)失效鋼軌進(jìn)行元素組成分析，結(jié)果如表1所示，根據(jù)GB 2585-2007《鐵路用熱軋鋼軌》可知，該鋼軌符合U75V鋼軌成分要求。

1.2 宏觀分析

沿已開(kāi)裂裂紋將失效鋼軌打開(kāi)形成斷口試樣。由圖3可見(jiàn)，斷口宏觀塑性變形不明顯，斷口表面氧化較嚴(yán)重,分布有明顯的輻射紋和人字紋，此為裂紋快速擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生的。裂紋自軌腰高度1/2處向兩側(cè)擴(kuò)展，形成的斷口平行于軌頭踏面。輻射紋起源于圖3中位置A(焊瘤表面)，隨后向下以及左右兩側(cè)擴(kuò)展，并在兩側(cè)形成人字紋。

圖1 1/2軌腰高度處平行于軌頭踏面的水平裂紋形貌Fig.1 The horizontal crack morphology at 1/2 rail waist heightand paralleled to the rail tread

圖2 焊縫及水平裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the weld seam and the horizontal crack

表1 鋼軌化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition analysis results of the rail (mass fraction) %

圖3 打開(kāi)斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the opened fracture

1.3 斷口微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)鋼軌斷口表面微觀形貌進(jìn)行觀察，觀察之前先對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗和吹干。由圖4可見(jiàn)，裂紋源即圖3中位置A(焊瘤表面)的斷口微觀形貌存在孔洞和裂紋等焊接缺陷。由圖5可見(jiàn)，圖3中位置A和B的交界處斷口微觀形貌主要為解理、韌窩及二次裂紋。由圖6可見(jiàn)，圖3中位置B～D斷口微觀形貌均主要為解理。

圖4 圖3中位置A斷口SEM形貌Fig.4 Fracture SEM morphology of area A in Fig.3

圖5 圖3中位置A和位置B交界處斷口SEM形貌Fig.5 Fracture SEM morphology of junction of area A and area B in Fig.3

圖6 圖3中位置D斷口SEM形貌Fig.6 Fracture SEM morphology of area D in Fig.3

圖7 1號(hào)金相試樣取樣位置Fig.7 Sampling position of No.1 metallographic specimen

圖8 2號(hào)金相試樣取樣位置Fig.8 Sampling position of No.2 metallographic specimen

1.4 金相分析

分別在圖7和圖8所示兩個(gè)斷口試樣上沿平行于斷口方向截取剖面試樣，分別編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)試樣，磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。

圖9為1號(hào)試樣低倍組織形貌，可見(jiàn)焊縫組織非常粗大。對(duì)1號(hào)試樣放大后觀察可見(jiàn)，圖9中位置E和位置F(焊瘤表面)存在較多的孔洞、微裂紋及沿軋制方向平行分布的夾雜物，如圖10所示。侵蝕后觀察可見(jiàn)焊縫區(qū)顯微組織主要為珠光體和少量鐵素體，晶粒粗大，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，尤其是在焊縫中心位置，鐵素體已經(jīng)形成連續(xù)網(wǎng)狀，如圖11所示。鋼軌軌腰側(cè)面表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為100 μm，如圖12所示。

圖9 1號(hào)試樣焊縫低倍組織形貌Fig.9 Macro structure morphology of weld seam of No.1 specimen

圖10 圖9中位置E微裂紋及夾雜物形貌Fig.10 Morphology of micro cracks and inclusions of area E in Fig.9

圖11 圖9中位置G顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of area G in Fig.9

圖12 1號(hào)試樣軌腰側(cè)面表面脫碳形貌Fig.12 Surface decarburization morphology of No.1 specimen at the rail waist side

對(duì)2號(hào)試樣拋光態(tài)形貌進(jìn)行觀察可見(jiàn)，焊瘤表面同樣存在較多的孔洞和微裂紋，如圖13所示。侵蝕后觀察可見(jiàn),顯微組織同樣為珠光體和呈網(wǎng)狀分布的鐵素體，如圖14所示。

圖13 2號(hào)試樣焊縫中的孔洞和微裂紋形貌Fig.13 Morphology of holes and micro cracks of weld seam of No.2 specimen

圖14 2號(hào)試樣焊縫中心顯微組織形貌Fig.14 Microstructure morphology of weld seam center of No.2 specimen

圖15 基材中沿軋制方向分布的硫化物夾雜形貌Fig.15 Morphology of sulfide inclusions distributing along rolling direction in the matrix

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)開(kāi)裂鋼軌基材中的非金屬夾雜物含量進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如下：A3s，B0.5，C0.5，D0.5，DS0。可見(jiàn)鋼軌基材中非金屬夾雜物主要為A類粗系硫化物，且存在超出視場(chǎng)評(píng)定范圍的超長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物，如圖15所示。

1.5 硬度測(cè)試

對(duì)圖9中所示H1～H5共5處位置進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)域的硬度明顯低于兩側(cè)熱影響區(qū)及基材的。

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼軌焊縫兩側(cè)基材化學(xué)成分符合GB 2585-2007對(duì)U75V軋道鋼的技術(shù)要求。鋼軌基材中存在大量的粗系硫化錳夾雜物，且部分夾雜物長(zhǎng)度超出視場(chǎng)評(píng)定范圍，實(shí)際評(píng)定夾雜物含量超出GB 2585-2007技術(shù)要求，較多大尺寸夾雜物會(huì)嚴(yán)重割裂材料基體連續(xù)性，大大降低鋼軌材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。鋼軌基材顯微組織為珠光體和少量鐵素體；焊縫區(qū)域晶粒粗大，且在焊縫中心存在連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體的存在同樣會(huì)割裂金屬基體連續(xù)性，大大降低鋼軌材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。軌腰側(cè)面脫碳層深度小于0.5 mm，符合GB 2587-2007技術(shù)要求。焊縫中心區(qū)域硬度明顯低于其他區(qū)域的，可推知焊縫中心強(qiáng)度遠(yuǎn)低于基材強(qiáng)度。從宏觀斷口上的人字紋方向推知，鋼軌開(kāi)裂起源于軌腰一側(cè)的焊瘤表面，該區(qū)焊縫表層中存在孔洞和微裂紋等焊接缺陷，導(dǎo)致該處形成應(yīng)力集中，容易萌生裂紋源。斷口主要微觀特征為解理和少量韌窩，表明鋼軌開(kāi)裂模式為外力作用下的一次性脆性開(kāi)裂。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results

3 結(jié)論及建議

該地鐵鋼軌軌腰裂紋為在較高水平外力作用下，由焊瘤表面缺陷處萌生的微裂紋迅速擴(kuò)展形成的一次性脆性開(kāi)裂；導(dǎo)致鋼軌開(kāi)裂的主要原因是鋼軌焊縫焊瘤表面存在孔洞及微裂紋等缺陷，焊縫組織粗大且鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，以及鋼軌基材夾雜物含量嚴(yán)重超標(biāo)。

對(duì)于正在服役的其他鋼軌，建議如下：①通過(guò)機(jī)械研磨方法消除軌腰焊瘤表層的焊接缺陷，研磨后再次進(jìn)行超聲波檢測(cè)；②加強(qiáng)軌道鋼原材料質(zhì)量控制，嚴(yán)格控制非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)；③對(duì)現(xiàn)有焊縫位置進(jìn)行正火處理，以消除網(wǎng)狀鐵素體并細(xì)化晶粒。

[1] 鄧建輝,鄭會(huì)軍.線路鋼軌斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2003,39(9):488-491.

[2] 鄧建輝,鄒明,吳雄先.鋼軌斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2002,38(5):214-216.

[3] 吳雄先.鋼軌斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2008,44(8):451-453,458.

[4] 李東俠.鋼軌斷裂原因分析及防治措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005,25(3):67-69.

Failure Analysis on Cracking of a Metro Rail Waist

LI Eryong, WANG Jian, ZHANG Yiliang

(Shenzhen Fantai Test Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China)

By means of chemical composition analysis, macro and micro fracture analysis, metallographic analysis, hardness test and so on, the cracking reasons of a metro rail at the rail waist were analyzed. The results show that the poor weld bead surface quality, the existence of net ferrite in the weld center and the excessive non-metallic inclusions in the base metal, caused brittle cracking of the rail at the rail waist under the action of external stress. Finally, the improvement measures were put forward according to the causes of the rail cracking.

rail waist; weld defect; reticular ferrite; inclusion; brittle cracking

10.11973/lhjy-wl201706017

2016-05-11

李二勇(1977-)，男，工程師，碩士，主要從事金屬材料失效分析，電子元器件可靠性工程及失效分析工作，legent@yeah.net

U214.8+1

B

1001-4012(2017)06-0449-04