曲線尖軌踏面?zhèn)麚p原因分析

呂晶 楊其全 張倩 葛晶 許鑫 王玉婷 曹欣旺

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

尖軌是道岔的核心部件，是實(shí)現(xiàn)列車(chē)轉(zhuǎn)線運(yùn)行的關(guān)鍵［1］。尖軌的加工工序?qū)е缕浔砻婧蛢?nèi)部存在較復(fù)雜的殘余應(yīng)力，列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)尖軌還承擔(dān)輪載導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力和高幅值接觸應(yīng)力，若尖軌存在材料內(nèi)部缺陷或加工傷損，在復(fù)雜的載荷環(huán)境下其內(nèi)部傷損易發(fā)展甚至導(dǎo)致尖軌折斷［2］?，F(xiàn)階段針對(duì)道岔尖軌傷損方面的研究主要集中在傷損的無(wú)損檢測(cè)和監(jiān)測(cè)［3-4］、磨耗對(duì)行車(chē)安全的影響［5-6］方面，缺少對(duì)道岔尖軌內(nèi)部缺陷引起尖軌傷損方面的研究。

本文以某聯(lián)絡(luò)線使用9個(gè)月后踏面發(fā)生嚴(yán)重剝離掉塊且在軌頭寬約15 mm 處發(fā)生連續(xù)掉塊的曲線尖軌為研究對(duì)象，通過(guò)曲線尖軌斷口宏觀形貌觀察、金相組織分析、非金屬夾雜物分析、化學(xué)成分分析、淬火層形貌觀察、硬度分布檢測(cè)等手段，研究曲線尖軌傷損的形成原因并提出合理的改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.1 宏觀形貌

該傷損曲線尖軌鋪設(shè)地段主要為貨運(yùn)線路，采用60D40 特種斷面鋼軌制造，材質(zhì)為U71Mn（K），熱處理狀態(tài)為軌頭離線淬火。傷損曲線尖軌的宏觀形貌如圖1 所示。可以看出：尖軌軌頭寬約15 mm 處存在長(zhǎng)350 mm的連續(xù)掉塊區(qū)域，掉塊處裂紋非一次性從工作邊向非工作邊的擴(kuò)展形貌，在斷口中間位置存在過(guò)渡臺(tái)階；曲線尖軌工作邊磨耗明顯。

圖1 曲線尖軌連續(xù)掉塊處斷口的宏觀形貌

軌頭寬15 mm 處的磨耗情況見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯簜?cè)面磨耗量為2.4 mm，掉塊深度為3.5 mm；尖軌有明顯塑性變形，產(chǎn)生了2.7 mm的塑性金屬流動(dòng)。

圖2 曲線尖軌廓形（單位：mm）

1.2 金相分析

為判斷傷損的起裂位置，分別在距離掉塊區(qū)域前端約3 mm 和15 mm 的未掉塊處取兩個(gè)橫斷面金相試樣（記為1#、2#金相試樣），采用Leica DM6M 金相顯微鏡對(duì)樣品的金相組織進(jìn)行觀察。

1#金相試樣的金相組織見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯涸诰嘬夗斆婕s4.8 mm 處有一條長(zhǎng)約3.4 mm 的內(nèi)部裂紋（距離工作邊和非工作邊分別約2.3 mm 和1.6 mm），裂紋縫隙的最大寬度約190 μm，內(nèi)部裂紋上下組織存在明顯的塑性變形；在內(nèi)部裂紋的上下方有一些微缺陷。該橫斷面未觀察到起源于工作邊或非工作邊的裂紋，表明傷損尖軌裂紋起源于尖軌內(nèi)部而非工作邊或非工作邊表面。

圖3 1#金相試樣的金相組織

2#金相試樣的金相組織見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯涸诰嘬夗斆婕s3.5～6.0 mm（與尖軌掉塊位置對(duì)應(yīng)處）處有一些微缺陷［圖4（a）虛線區(qū)域］；根據(jù)FEI Quanta 400 掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果［圖4（b）］，微缺陷與尖軌工作邊平行，其周?chē)慕M織存在塑性變形，且微缺陷沿組織塑性變形的流動(dòng)方向擴(kuò)展；根據(jù)圖4（b）中微缺陷的能譜分析結(jié)果［圖4（c）］，其主要成分是氧、鋁、硅、鈣等元素，表明該微缺陷中存在B 類(lèi)（氧化鋁類(lèi)）、C 類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)）混合夾雜物，夾雜物寬約25 μm。由此判斷觀察到的微缺陷應(yīng)為起源于B 類(lèi)、C 類(lèi)混合夾雜物的微裂紋缺陷。

圖4 2#金相試樣的金相組織

在傷損尖軌距軌頂面3.5 mm 處隨機(jī)取的縱向金相試樣中也觀察到了級(jí)別為2 級(jí)的B 類(lèi)超寬（最大寬度大于15 μm）非金屬夾雜物，見(jiàn)圖5。

圖5 傷損尖軌距軌頂面3.5 mm處非金屬夾雜物形貌

1.3 非金屬夾雜物

按照科教基〔2005〕101 號(hào)《客運(yùn)專(zhuān)線60AT 鋼軌暫行技術(shù)條件》的要求，隨機(jī)在傷損曲線尖軌上取4個(gè)非金屬夾雜物檢測(cè)試樣，檢測(cè)面平行于軌頂面，且距軌頂面10 ～ 15 mm。按照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》進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1 和圖6?？芍S機(jī)取的4個(gè)試樣中有3個(gè)的非金屬夾雜物不滿足科教基〔2005〕101 號(hào)的技術(shù)要求（B類(lèi)、C類(lèi)夾雜物均不超過(guò)1.5級(jí)）。

表1 曲線尖軌試樣非金屬夾雜物的測(cè)試結(jié)果

圖6 非金屬夾雜物金相照片

1.4 化學(xué)成分

采用ARL-4460真空直讀光譜儀，按照GB∕T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)傷損曲線尖軌化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。可知，傷損曲線尖軌的化學(xué)成分滿足科教基〔2005〕101號(hào)對(duì)于U71Mn牌號(hào)鋼軌的技術(shù)要求。

表2 傷損曲線尖軌化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 %

1.5 淬火層形貌及硬度分布

采用RB2000 洛氏硬度計(jì)，按照TB∕T 1779—1993《道岔鋼軌件淬火技術(shù)條件》的試驗(yàn)方法，對(duì)尖軌軌頭寬10 mm 斷面的橫斷面淬火層形狀、深度、硬度分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍?，尖軌軌頭寬10 mm 斷面處的淬火層形狀為帽形，淬火層深度為51 mm，近表面3個(gè)測(cè)點(diǎn)的硬度為34.1 ～ 39.9 HRC，均滿足TB∕T 1779—1993的技術(shù)要求。

圖7 尖軌橫斷面淬火層形狀、深度及硬度分布（單位：HRC）

2 原因分析

根據(jù)傷損曲線尖軌宏觀形貌、金相組織及非金屬夾雜物分析結(jié)果可知，距尖軌軌頂面約3.5～6.0 mm處存在較粗大的夾雜物是引起尖軌內(nèi)部起裂的主要原因。曲線尖軌使用過(guò)程中，在輪軌接觸應(yīng)力的作用下，在踏面次表層粗大鏈狀?yuàn)A雜物處萌生縱向疲勞裂紋，降低了尖軌的承載能力，最終導(dǎo)致尖軌在軌頭寬15 mm斷面處連續(xù)掉塊。

夾雜物是鋼材中無(wú)法完全避免的冶金缺陷，按來(lái)源可分為內(nèi)生夾雜物和外來(lái)夾雜物。內(nèi)生夾雜物主要是精煉到連鑄過(guò)程中的脫氧產(chǎn)物及澆注過(guò)程中鋼水和空氣二次氧化的產(chǎn)物，其尺寸通常較小，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不構(gòu)成嚴(yán)重危害。外來(lái)夾雜物是由原料帶入的泥沙、熔渣、保護(hù)渣等在冶煉、出鋼、澆注過(guò)程中進(jìn)入鋼中來(lái)不及上浮而滯留在鋼中，或澆注系統(tǒng)的耐火材料受鋼水沖刷進(jìn)入鋼液而滯留于鋼中造成的，其尺寸、脆性通常較大且組成復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量危害較大，可能引起鋼軌探傷不合格或疲勞傷損［7］。傷損曲線尖軌踏面次表層粗大夾雜物的主要成分是氧、鋁、硅、鈣等元素，與大包下渣、中包卷渣、二次氧化產(chǎn)物、耐火材料卷入等原因引起的外來(lái)夾雜物組成相近［8］。提高鋼軌鋼的純凈度，加強(qiáng)鋼軌鋼冶金質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)，減小鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸［9-10］，尤其是控制道岔尖軌小尺寸斷面的冶金質(zhì)量是防止該類(lèi)傷損產(chǎn)生的主要措施。

3 結(jié)論與建議

1）傷損曲線尖軌距軌頂面約3.5 ～ 6.0 mm 處存在較粗大的夾雜物是引起尖軌內(nèi)部起裂的主要原因。

2）曲線尖軌使用過(guò)程中，在輪軌接觸應(yīng)力的作用下，在踏面次表層粗大鏈狀?yuàn)A雜物處萌生縱向疲勞裂紋，降低了尖軌的承載能力，最終導(dǎo)致尖軌在軌頭寬15 mm斷面處連續(xù)掉塊。

3）建議提高鋼軌鋼的純凈度，加強(qiáng)鋼軌鋼冶金質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)，減小鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸，尤其是控制道岔尖軌小尺寸斷面的冶金質(zhì)量。