爆炸硬化高錳鋼組合轍叉水平裂紋傷損分析

鹿廣清

(中鐵山橋集團有限公司,河北秦皇島 066000)

1 爆炸硬化高錳鋼組合轍叉技術簡介

高錳鋼組合轍叉主體采用帶翼軌的大錳鋼叉心與翼軌、叉跟尖軌拼裝結構(圖1)，與其他類型拼裝(組合)轍叉相比，其間隔鐵與心軌為整體結構并進行增加實體厚度設計[1-2]，提高抗彎模量、增加結構的穩定性；翼軌為立墻結構，可有效抵抗垂向力，避免了鋼軌結構軌頭在偏載作用下形成的翼軌斷裂現象，保證了運行安全[3]。

整鑄大叉心結構充分避免了其他結構的局限，為優化輪軌關系設計提供了有效的結構空間[4-6]。針對重載線路與客貨混運線路，分別采用不同的軌頂輪廓[7-8]，從而提高心軌使用壽命、減少養護維修工作量。

圖1 高錳鋼組合轍叉結構

高錳鋼組合轍叉其優勢在于轍叉主要沖擊部位采用高錳鋼材質，得以充分發揮其安全系數高即裂紋敏感性低這一其他材質不具備的優良特性[9]。爆炸硬化高錳鋼轍叉通過對主要沖擊部位進行深度爆炸硬化處理，提高了初始硬度即耐磨性及在線使用磨耗后實施焊補修復的可能性[10-11]。

以上設計思路正確，結構可靠，為轍叉使用壽命的提高奠定了有利的技術基礎。該種轍叉雖在國內尚屬新產品，但在美國鐵路線已有幾十年的安全穩定的使用歷史，通過對轍叉多次焊補修復，最大通過總重可達10億t以上[12]。

2 典型的心軌水平裂紋傷損分析

2.1 傷損型式

圖2 典型的水平裂紋形態

該型式的水平裂紋(圖2)首先在西平線60 kg/m、18號轍叉中發現，之后在武漢局、呼和局、北京局均有發現，同時在朔黃線隨著冷隔裂紋的消除和重新判別也陸續被發現。裂紋發生在軌頂面以下10～20 mm，呈不規則水平發展，個別轍叉會出現間斷發展趨勢。出現水平裂紋下道多數通過總重不超過1.5億t，個別轍叉不到5 000萬t，嚴重影響平均通過總重。

2.2 原因分析

針對較多數量的水平裂紋，通過大量調研、理化分析、實驗驗證，認為下述原因導致水平裂紋的發生。

2.2.1 爆炸硬化影響

以前的非爆炸硬化轍叉雖然個別存在水平裂紋，但僅是個例，不是主要破壞形式，因此較多數量出現這種水平裂紋有理由從爆炸硬化角度進行分析。

(1)爆炸硬化機理

爆炸硬化是基于高錳鋼材質的特性，在工廠內完成沖擊硬化過程，提高轍叉輪軌接觸面硬度和強度的一種工藝方法。爆炸硬化是利用炸藥爆炸的瞬間產生的強烈沖擊波對金屬沖擊[13]，這種高密度的沖擊波在金屬中傳播，使金屬晶格發生扭曲，改變金屬材料組織結構，提高了金屬硬度，同時提高了金屬強度。爆炸硬化的關鍵是布藥方式、爆炸當量和爆速的控制。

通過硬化前后組織對比(圖3)看出，硬化前后均為奧氏體，但硬化后晶粒內有大量滑移線，這正是經爆炸硬化表面強化、硬化的金相特征。

圖3 爆炸前后金相對比

(2)硬化機理分析

為研究爆炸硬化強變形對高錳鋼轍叉的損傷，燕山大學對比研究了爆炸硬化強變形和軋制變形高錳鋼的組織[10]。

雖然兩種不同的變形方式在高錳鋼中獲得了相同的硬化效果，但是試樣中的組織狀態卻存在明顯差別，如圖4所示。

這說明，雖然兩種不同的硬化過程在高錳鋼中取得了相近的硬化效果，但其作用機理是不同的。與常規機械變形相比，沖擊波作用的特殊性也使得金屬材料具有不同的塑性變形機理。當沖擊波在基體中傳播時，位錯通常在波前產生，位錯增殖對于塑性變形的貢獻要遠大于位錯滑移，并且，沖擊波的平面特性以及傳播的超高速率使位錯滑移的活躍程度減弱，因此，在爆炸強變形過程中，高錳鋼中位錯的活躍程度要遠低于軋制高錳鋼。而位錯的積累與相互作用是造成應力/應變集中的根本原因，因此爆炸強化變形高錳鋼晶粒內部的應變集中程度更低(圖4(b))。

因此在相同的硬化效果下，兩種變形方式處理后高錳鋼中的組織狀態卻差異明顯，爆炸強變形高錳鋼晶界附近與晶內的應變差異性較軋制高錳鋼更加嚴重，這種組織狀態也必將對高錳鋼的力學行為產生影響。

圖4 爆炸強變形高錳鋼(a～d)和軋制變形高錳鋼(e～h)的微觀組織結構

(3)爆炸硬化轍叉心軌硬度層分布影響

經理化分析，爆炸硬化深度雖然達25 mm以上，但在心軌斷面上分布并不均勻(圖5)，在爆炸沖擊法線外部位因不能直接受到沖擊，導致硬化強化能力偏弱(僅受直接受力部分金屬的擠壓作用)，從而該部位成為硬度分界區域(且多種硬度分布過渡區域很小)，易成為沖擊功釋放的集中部位，在輪軌作用力的作用下萌生裂紋[14]。當該部位距輪軌作用面較近，力的傳力會更為直接，更易萌生裂紋。

圖5 硬度層分布示意

(4)爆炸硬化對缺陷形貌的影響

爆炸硬化帶來金屬的壓縮不同于自由鍛壓屬于多向壓縮，是沿工件表面法線方向，那么就會將既有三維缺陷(孔洞類)轉化為二維缺陷，造成缺陷呈水平縱向居多；同樣這種壓縮也會使金屬沿工件表面法線方向層狀疊加，造成工件各向性能異化明顯，且工件法線方向的性能呈梯度遞減，而由于這種梯度遞減造成距軌頂等距位置的一致性，導致裂紋呈水平縱向發展。

上述因素的綜合影響使爆炸硬化轍叉的縱向水平裂紋發生幾率加大。

2.2.2 內在質量影響

(1)內在質量缺陷

內在質量是基礎，孔洞類、縮松類、雜質類缺陷大小與分布均會很大程度影響在線運行傷損發生的時間和程度[15-16]。圖6所示為第003號和第046號轍叉心軌水平裂紋上下、附近掃描照片，由于兩組轍叉心軌部分裂紋類型基本一致，這里選擇了其中具有代表性裂紋進行分析。圖6(a)和圖6(b)所示為高錳鋼轍叉心軌表面裂紋，這類裂紋由表面萌生為正常的疲勞裂紋。圖6(c)所示為心軌內部平行于軌頂面的水平裂紋，裂紋擴展距離較長，并且向垂直方向有二次裂紋生成，該類裂紋大多位于心軌表面與水平裂紋中間靠上部位。在水平裂紋附近也觀察到了如圖6(d)和圖6(e)所示的較大面積的縮孔，該缺陷會嚴重破壞基體的連續性，可見裂紋以縮孔為裂紋源向周邊擴展，當與其他裂紋相遇后，便會產生更大的破壞。

圖6 003和046轍叉心軌內部裂紋掃描照片

從鑄造結構設計上看，該部位設計厚度一般可以達到60 mm以上，整體斷面較大，屬于高錳鋼轍叉鑄件最厚大部位，這個部位鋼液冷速最慢、凝固最慢，尤其是心軌部位，盡管單純從心軌看其尺寸較小，但其周邊翼軌和底座厚大，造成心軌下20 mm左右的位置極易出現縮孔和氣孔，甚至是中央氣孔。這是因為高錳鋼轍叉在澆鑄時輪緣槽朝下，槽中的型砂三面被鋼液包圍，砂型可能發氣，氣體易侵入鑄件而產生縮松和縮孔和氣孔等缺陷。這些缺陷位置在高速重載列車車輪高應力作用下產生應力集中并成為裂紋的萌生位置。

同時心軌與貫通輪緣槽的高度差異，會實際上形成心軌尖端部位處于澆鑄時鋼水的回流區和紊流區，型腔內雜質首先流向和堆積于該區域，雜質含量高于其他正常部位，因而會造成心軌尖端一定長度范圍內易出現夾雜類缺陷。

因此各種不利因素會造成心軌前端的各類缺陷發生率高于其他部位。根據對爆炸硬化試樣內部微觀殘余應力測試結果可知，爆炸造成的強力沖擊波會在鋼內部界面造成應力集中，如果鋼中存在鑄造氣孔、縮孔和夾雜等缺陷，沖擊波會造成這些位置產生裂紋，然后在重載車輪的作用下極易造成裂紋擴展，并造成裂紋迅速擴展。

(2)內在質量對應力分布的影響分析

為了揭示內在缺陷對應力分布的影響，在輪軌接觸受力分析的基礎上，引入了構造缺陷進行模擬，并進行不同加力工況的準動態仿真。

實際工況中很重要的一點就是已萌生裂縫的延伸，這一算例的主要目的是研究已有缺陷對應力分布的影響，以及探索已有缺陷的擴展方式。缺陷構造為靠近心軌頂端和遠離心軌頂端兩種形式。缺陷尺寸設定為橢圓形長軸0.3 mm，短軸0.05 mm，體長度2 mm。分別對缺陷的不同位置進行了模擬仿真，見圖7、圖8。

圖7 淺層內部缺陷心軌受力分布

圖8 深層內部缺陷心軌受力分布

從應力分布上看，淺層分布缺陷明顯存在從接觸位置連通到缺陷位置的應力集中區，且連通后應力沿著缺陷向兩側延伸。可以預期在這樣的情況下缺陷會沿著兩側進一步生長，致使損傷加劇；當缺陷所在位置靠下時，接觸位置的應力集中不足以延伸至缺陷所在位置，所以此時缺陷對于應力分布的影響可以忽略不計。而兩者變形情況相同，基本不受缺陷存在影響，缺陷位置并沒有出現變形的畸變。

2.2.3 受力分析

(1)心軌、翼軌受力分析

為了更深入地了解轍叉傷損的機理，需要了解轍叉在車輪經過時受力情況，這一部分工作從二維模型簡化開展，選取心軌20 mm/30 mm/40 mm面進行受力分析(圖9)，以期為改善輪軌關系設計提供依據。

圖9 不同位置轍叉心軌、翼軌受力分布

上述分析是以新轍叉、磨耗車輪(現場量測分析)為工況的，從受力分布上看輪軌關系還有優化空間，但這里重點分析心、翼軌的應力分布方向，可以看出橫向應力是在轉移變化的，以此可以看出交變應力的存在，也成為心軌水平縱裂疲勞破壞的因素。

(2)踏面磨耗后的受力狀態分析

運行后心軌頂面形貌發生變化，心軌軌頂接觸光帶呈近1∶13的傾斜，主要承壓面向非通過側擴展，且多數存在上部金屬外延現象(圖10中(a)圖左側、(b)圖右側)，說明金屬流動造成的剪切形成撕裂破壞，這與裂紋的發生大多集中于心軌主要運行軌跡的外側的現象相符。該現象與2015年發生的尖軌非工作邊出現水平裂紋類似，輪軌作用垂直于作用表面的力轉化為內部的剪切應力，在剪切應力作用方向和位置在表面形成釋放區，造成表面微裂紋。如圖10轍叉工作邊圓弧幾乎不存在，造成受力與非工作邊趨近，剪切作用非常明顯。該轍叉通過總重11 679萬t。

圖10 運行后心軌斷面形貌

2.2.4 線路鋪設養護影響

(1)線路鋪設、養護狀況對裂紋的產生和發展影響較大[17]，從朔黃線路破損分布看各站線存在明顯區別[18]。經統計分析得出方向、高低(是否空吊)、查照間隔等影響因素較大。從理論上轍叉方向不正確或查照間隔不正確，會使列車車輪靠近或緊貼工作邊運行，導致輪軌關系發生變化，輪緣接觸幾率增大，輪軌作用力向工作邊方向轉移，易產生工作邊肥邊，這種肥邊的下邊緣會萌生裂紋；而高低變化會使列車運行平順性惡化，沖擊力明顯增加。

經在線對初期裂紋進行磨修，發現裂紋深度較小，一般不大于5 mm，且經焊修(配合各部位打磨)后保持效果良好。說明該類缺陷是由表層萌發的，不是內部裂紋造成的，但若不進行處理，有向內擴展形成破壞的可能。

2.3 分析結論

高錳鋼轍叉心軌位置是鑄件厚大截面位置，在鑄造凝固時該區域凝固較慢，為最后凝固的區域，易于產生集中縮孔和氣孔；同時該部位處于鋼水回流區和紊流區，造成雜質含量增加。這兩種因素是產生水平縱裂的基本原因；爆炸硬化會造成這些缺陷位置的應力和應變集中，進一步損傷了這些區域高錳鋼的性能，形成被破壞的潛在因素；爆炸硬化的硬度梯度和等應力分布狀況形成的過渡起始區域是裂紋破壞的薄弱區域；養護維修不及時，形成不利的接觸形貌，加劇了內應力向外表面薄弱區域發展的趨勢。

綜上所述，轍叉心軌20 mm至50 mm斷面范圍內的輪載轉移區， 輪軌沖擊最為劇烈是形成異常破壞和疲勞破壞的根本原因。而爆炸硬化方式和非有效維護是萌生水平縱向裂紋、形成異常破壞的主要原因，其他內在質量、輪軌關系等是裂紋發生、發展和疲勞破壞的充分原因。

2.4 安全風險

裂紋類缺陷是具有危險性的缺陷之一[19]。但基于錳鋼材質優良的裂紋延遲性特征和高錳鋼材質的可在線修復特點，可以通過焊修手段消除缺陷。一般對縱向水平裂紋可采取觀測結合焊修的方式。水平裂紋一般會由金屬堆積形貌、線紋狀形式顯示、磨修后顯現等方式被發現，日常觀測需要一定的經驗積累，故而有可能在發現時已發展到一定程度。有以下情況應考慮安排更換，視現狀和發展速率采取當天更換或一周內更換：

(1)單側水平裂紋延伸至軌面1/3范圍；

(2)雙側水平裂紋中一側延伸至工作邊圓弧上部；

(3)水平裂紋向槽底方向發展。

水泥：山鋁牌P.O 42.5水泥，其熟料的化學成分與物理力學性能列于表1和表2；砂(產地臨朐):細度模數為2.5，含泥質量分數為2.0%；骨料：邊河碎石，5～25 mm，連續級配，含泥質量分數為0.5%；粉煤灰：萊蕪電廠Ⅱ級灰，其成分見表3；礦粉：張店鋼鐵廠，等級S95，其成分見表3；高嶺土：試劑純，天津市科密歐化學試劑有限公司，其成分見表4；水：自來水.

2.5 改進措施

針對上述因素，分析爆炸硬化方式是主要影響因素，結合其他能夠采取措施的可能性，在以下幾方面進行了加強。

(1)改進爆炸硬化工藝

改進爆炸硬化布藥方式，使爆炸硬化斷面形成良好的帽型，減少近工作面的軟帶和性能層狀分布狀態。

同時對爆炸硬化還有較大的研究空間：引進的爆炸硬化技術是國際上較為領先的，但最科學合理的工藝應用依然需要相當一個時期的摸索，尤其是當轍叉的結構、運行參數等發生了變化，最優的工藝匹配還需要時間和經驗的積累。如爆炸硬化的爆材、爆速以及炸藥的布置形式、次數、深度、梯度等工藝，還需要進一步的深入研究及摸索；還需要對爆炸沖擊對奧氏體晶格滑移的影響及爆炸硬化沖擊對心軌小斷面區域結構的影響等持續深入研究；或者改變強化方式，尋求熱鍛、機械沖擊方式實現強化的可實施途徑。

(2)加大在線維護方式、方法研究，加大宣傳力度，提高在線維護意識和能力，有效實施打磨改善受力狀況，消除裂紋趨向；充分利用焊補消除缺陷及恢復正常輪軌關系的優勢，是提高使用壽命的必要保證。至少應包含以下幾方面內容。

①鋪設狀態觀測。包括道床緊實度、轍叉方向與線型、高低水平及空吊板、查照間隔等，這些鋪設狀態的好壞直接影響轍叉的正常運行狀態。若處于非正常狀態，會出現輪軌關系惡化，局部沖擊呈幾何狀態增加，加劇破損和破壞。

②轍叉本體的穩定性。主要包括螺栓松動、折斷、鋼軌脆斷，還應包括扣件系統的合規性(離縫、彈性墊層破損、連接件緊固狀態等)和部件間的拉開、離縫等。

③運行狀態觀測。包括光帶正常性、肥邊、輪軌作用面形貌、傷損等，按規定進行規范性打磨。

④焊補維修。焊補是消除隱患的有效途徑[20]，這在我國還沒有適宜的規范性技術文件。美國焊補無論在線上和線下，對缺陷容許焊補規定要寬泛得多。目前還以維規相關規定判斷高錳鋼轍叉的傷損程度，忽視了缺陷的可消除性和輪軌關系的可恢復性，許多路局站段對焊補還持懷疑態度，造成社會資源的極大浪費。因此有必要制定高錳鋼轍叉的維護、保養、焊修和缺陷判定相關標準，不斷提升錳鋼類轍叉在線使用壽命。

(3)在具備條件的線路上進一步推廣心軌加寬技術，從朔黃線心軌加寬轍叉運行情況看，提高心軌的受力面積具有良好效果。

(4)持續提高鑄件的內在質量，為產品提供更加優良的基體。

2.6 改進效果

爆炸硬化高錳鋼組合轍叉的設計理念和結構設計是基本成熟的，在國外有良好的應用業績。其在我國雖然經初期試用驗證和朔黃鐵路的批量上道使用，但仍屬新理念產品范疇，通過前文所述的幾項改進措施的實施，在朔黃鐵路取得了比較理想的改進效果。2017年下道轍叉中超過3億t的14組，超過3.5億t的7組，4.2億t1組，5.2億t1組，說明高錳鋼組合轍叉實現通過總重3億t以上的目標是可以實現的。

3 結論與建議

高錳鋼轍叉爆炸硬化工藝雖然會帶來一定程度的負面影響，但是對高錳鋼轍叉初期強度、硬度提升的貢獻還是非常明顯的，爆炸硬化轍叉的平均使用壽命遠大于非表面預硬化轍叉，這在朔黃鐵路的實際應用中得到了證明。通過不斷改進爆炸硬化工藝、提高高錳鋼鑄造質量、加強線路維護保養，以及高錳鋼材質研究(如鍛造技術、合金化技術、局部強化技術)的不斷進步，爆炸硬化高錳鋼組合轍叉的質量將進一步趨于穩定，使用壽命將得到更大的提升。