地鐵線路鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損原因分析

鄭建國，周劍華，費俊杰，朱 敏，王瑞敏

（寶鋼股份中央研究院武漢分院，湖北武漢 430080）

0 引言

地鐵線路具有彎道多、曲線半徑小、駐車及啟動頻繁、采用直流動力電、隧道環境復雜多樣等特點，尤其在南方地區，隧道內潮濕、漏水路段較多。地鐵環境的復雜多樣造成鋼軌在使用過程中表現出的傷損類型與國鐵線路用鋼軌存在差異，甚至不同城市的地鐵由于地質環境、運載負荷、軌道結構等條件的不同，鋼軌傷損的類型也不完全相同。鋼軌出現傷損造成維護及更換任務工作量大、耗時長、費用高，而且影響了地鐵線路的正常安全運營，縮短鋼軌及車輪的使用壽命，嚴重的甚至危及行車安全[1]。某地鐵線路鋼軌使用?1.5～2.5?年后，有些路段鋼軌表面陸續產生橫向裂紋，并迅速發展成大掉塊，這種傷損在國鐵線路用鋼軌上很少出現。為此，本文跟蹤調查了線路環境，在傷損鋼軌上取樣進行理化檢驗，分析掉塊傷損形成的原因，并提出預防措施。

1 鋼軌表面傷損宏觀特征

鋼軌表面橫向裂紋及掉塊在地鐵線路的直線段和曲線段均會出現，特征形貌見圖?1。傷損發展初期表現為在鋼軌表面連續密集的橫向裂紋，經車輪碾壓后繼續發展，裂紋處會出現掉塊，長度可達到?30??mm，深度約為2～3??mm。另外，發生踏面橫向裂紋及掉塊傷損的鋼軌均位于隧道內滲水、漏水路段，鋼軌表面長期潮濕。地鐵鋼軌表面橫向裂紋及掉塊與國鐵用鋼軌的魚鱗傷、剝離掉塊相比，有以下特點：

（1）地鐵鋼軌表面裂紋和掉塊會在直線段出現，而國鐵線路上直線段鋼軌的使用狀態較好，表面光亮，極少出現掉塊現象；

（2）地鐵鋼軌表面裂紋和掉塊傷損沿著鋼軌表面橫向發展，而國鐵線路鋼軌的魚鱗紋和剝離掉塊一般出現在軌距角，與行車方向角度約為?45°[2]。

2 傷損鋼軌檢驗分析

某地鐵線路直線段鋪設?60??kg/m?U75V?鋼軌，運行?2年后在鋼軌表面出現多處掉塊傷損。該段鋼軌下道后，取傷損的典型部位進行檢驗分析，對鋼軌傷損及正常部位的金相組織、顯微硬度、化學成分和拉伸性能等項目進行檢驗。

圖1 鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損

2.1 宏觀形貌

鋼軌試樣表面存在橫向裂紋及部分已形成的剝離掉塊傷損，分別以試樣的橫、縱向作為觀察面進行金相顯微觀察，宏觀形貌見圖?2。

圖2 傷損鋼軌宏觀形貌

圖3 鋼軌傷損處裂紋

2.2 顯微組織分析

（1）對鋼軌傷損位置進行顯微觀察，結果見圖?3。由圖?3?可知，試樣裂紋缺陷部位未觀察到聚集分布的大型夾雜物，在裂紋內有淺灰色產物，該灰色產物為氧化銹蝕形成。

（2）金相試樣經?3%?的酒精腐蝕后，可觀察到鋼軌傷損處及周圍的組織為珠光體及少量鐵素體，與鋼軌正常部位的組織相同。在掉塊的邊緣部分具有破碎塊狀及裂紋，這是典型的剝離掉塊形貌特征（圖?4a），而且在掉塊附近有碾壓的塑性變形特征，裂紋走向與塑性變形方向一致（圖?4b），鋼軌正常部位組織為珠光體加少量鐵素體（圖?4c）。

圖4 鋼軌傷損處金相組織

2.3 顯微硬度分析

對鋼軌傷損部位及附近基體的橫斷面顯微硬度進行測量，測試點間隔為?0.2??mm，結果見圖?5。由圖?5?可見，鋼軌表面位置存在明顯塑性變形，加工硬化較為明顯，硬度達到?364??HV，內部基體硬度約為?280～290??HV。

圖5 傷損部位顯微硬度

2.4 鋼軌母材檢驗

（1）化學成分。在鋼軌軌頭標準要求部位，采用直讀光譜儀進行成品化學成分及殘留元素檢驗，結果見表?1?和表?2。由表?1、表?2?可知，化學成分及殘留元素含量符合TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術條件》的要求。

（2）力學性能。按?TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術條件》的要求取樣進行鋼軌拉伸性能檢測，結果見表?3。由表?3?可見，鋼軌軌頭平均抗拉強度Rm為?1??023??MPa，斷后伸長率A為?12.0%，均滿足?TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術條件》的要求。

從以上檢驗結果可知，鋼軌的化學成分及力學性能均滿足相關標準要求，且裂紋傷損處未見大型夾雜物，該傷損與鋼軌性能應無直接關系。

表1 鋼軌化學成分 %

表2 鋼軌殘留元素 %

表3 鋼軌室溫拉伸性能

3 傷損產生原因分析

3.1 裂紋萌生

鋼軌在列車行駛過程中受到軸重、導向力以及縱向和橫向摩擦力的綜合作用，輪軌接觸面約為?100??mm2，鋼軌承受的載荷力約為?50～200??kN，在鋼軌接觸面上產生很大的接觸應力[3]。鋼軌在高應力，尤其是高的剪切應力作用下，會發生應力-應變循環的棘輪效應[4]。在棘輪效應作用下，鋼軌表層金屬塑性變形不斷積累，材料不斷發生硬化，鋼軌表層硬度明顯增高，達到?364??HV（圖?5），較內部基體硬度（280～290??HV）提高?25%?以上。當材料的塑性完全耗竭時，就會在鋼軌表面塑性變形層萌生微裂紋。

3.2 裂紋擴展

微裂紋萌生后，經歷擴展階段、裂紋和磨耗共存階段及磨耗控制裂紋階段[5]。在這?3?個階段，裂紋的發展與鋼軌的磨耗相互抑制，若鋼軌磨耗速度大于裂紋發展速度，萌生的裂紋被逐步磨掉，不會進一步發展。相反，若鋼軌磨耗速度小于裂紋發展速度，萌生的裂紋會逐步擴展。鋼軌的磨耗速度與輪軌之間的摩擦系數有直接關系。一般來說，鋼軌表面干燥、清潔時，輪軌之間的摩擦系數在?0.25～0.4?合理范圍之內，此時直線段鋼軌裂紋擴展速度與磨耗速度相當，萌生裂紋的表層會被磨損掉，不會進一步擴展。

從現場觀察的情況來看，發生踏面橫向裂紋及掉塊傷損的鋼軌均位于隧道內滲水、漏水路段，鋼軌表面長期潮濕，見圖?1。在鋼軌表面潮濕的情況下，輪軌之間的摩擦系數會大大降低，一般在?0.05～0.1?之間，甚至更低[6]，造成鋼軌磨耗速度低于裂紋的擴展速度，萌生裂紋向鋼軌內部擴展。

3.3 裂紋發展

當裂紋擴展形成微裂紋后，又因鋼軌表面長期潮濕，輪軌接觸表面上的液體（如雨水、油等）侵入裂紋中，裂紋內部積聚水分，鋼軌表面發生微量塑性形變，含有水分的裂紋被折疊成封閉的孔隙，在外部壓力作用下，由于液體的擠壓效應（圖?6），裂紋擴展強度因子比干燥情況下增大了?7～8?倍，產生一種類似于炸裂的效果，加速裂紋的發展，并且發展深度比干燥環境下大很多。當裂紋發展到一定深度，裂紋出現二次分叉，二次分叉裂紋有些會向上發展（圖?3a），向上的裂紋發展到鋼軌表面就會導致剝離掉塊。這與出現圖?1a?中的踏面橫向裂紋后，鋼軌表面會快速形成橫向掉塊情況相吻合。

圖6 裂紋中液體的擠壓效應

4 改善措施

通過以上分析，可以得出鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損是一種滾動接觸疲勞傷損，其產生的原因主要是由于鋼軌表面長期處于潮濕狀態，輪軌之間的摩擦系數變小，造成在鋼軌表面塑性變形層內微裂紋萌生后的發展速度大于鋼軌磨耗速度，裂紋向鋼軌內部擴展。同時由于液體侵入裂紋內，形成擠壓效應，加速裂紋的發展，從而在地鐵直線或曲線段鋼軌表面形成橫向裂紋并快速發展成掉塊傷損。

針對以上原因，可采取以下措施預防和減輕鋼軌掉塊傷損的危害：

（1）在疲勞裂紋發展初期，及時對鋼軌表面進行預防性打磨，抑制鋼軌表面微裂紋的發展或去除鋼軌表面微裂紋；

（2）地鐵隧道內滲漏水地段，采用排、堵等措施，保持鋼軌運行環境的干燥。

5 結論

（1）地鐵線路鋼軌表面橫向裂紋及掉塊是一種滾動接觸疲勞傷損，主要由于鋼軌表面長期處于潮濕狀態，輪軌之間的摩擦系數變小，造成鋼軌表面微裂紋萌生后的發展速度大于鋼軌磨耗速度，同時液體侵入裂紋內形成擠壓效應，加速裂紋發展而形成。

（2）在裂紋發展初期對鋼軌進行預防性打磨，并保持地鐵環境的干燥，可有效預防和減輕鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損的產生和發展。