钢轨冲击性能异常的原因分析

周剑华 徐 进 李 闯 朱 敏 费俊杰

（1.武钢研究院条材产品研究所 湖北 武汉：430080；2.武汉铁路局工务处 湖北 武汉：430071；3.中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京：100081）

随着铁路朝着高速、重载以及高密度运营方向发展，这将不可避免的增大了列车的振动强度。列车运行速度的提高，列车振动强度增大。列车运行速度为230km／h和265km／h时，竖向振动荷载的最大值分别为42.98kN 和59.32kN［1］。列车运行速度提高35km／h时，列车竖向振动荷载最大值增加了16.34kN。而高速列车以200km／h的速度驶过钢轨凹陷时，在0.021s时高频轮轨力最大值可达到340kN［2］，对钢轨产生非常大的瞬间冲击力，因此要求钢轨具有一定的抗冲击性能。

虽然欧洲铁路联盟标准（EN 13674），国际铁路联盟标准（UIC 860）以及我国铁路用钢轨标准（TB／T 2344和TB／T 3276）等标准中，对热轧钢轨冲击性能都没有要求。但为了全面掌握国内钢轨的性能情况，保证铁路运营安全，在每年的国产热轧钢轨质量批检验中，中国铁道科学研究院参照钢轨焊接标准将钢轨全断面纵向冲击性能列为了一个检验项目［3］。

在国内四家钢轨生产企业（武钢、攀钢、包钢和鞍钢）近几年生产的60kg／m U71Mn系列（包括U71Mn和U71MnG）和U75V系列（包括U75V和U75VG）钢轨的常温冲击性能检验中，U71Mn系列钢轨轨头冲击性能平均值为15.3J，最小值为9.0J，最大值为20.6J；轨腰冲击性能平均值为9.0J，最小值为6.0J，最大值为14.9J；轨底冲击性能平均值为19.5J，最小值为12.0J，最大值为26.5J。U75V系列钢轨的轨头冲击性能平均值为13.9J，最小值为8.3J，最大值为18.3J；轨腰冲击性能平均值为9.3J，最小值为4.5J，最大值为15.9J；轨底冲击性能平均值为16.6J，最小值为10.7J，最大值为21.8J［4］。

本文针对U71Mn和U75V钢轨冲击性能出现小于10J，尤其是小于5J的情况，通过对冲击试样的微观组织和断口的分析，讨论了造成钢轨冲击性异常的原因，并提出了相应的控制措施。

1 原因分析

1.1 冲击试样表面加工质量影响

对冲击性能小于5J试样的断口进行微观组织分析，在U型缺口底部可以观察到少量白层组织（见图1），为马氏体组织，该组织硬而脆，在外力作用下易于破碎和断裂，冲击时先从此处开裂，导致试样的冲击性能低。白层组织为在试样加工过程中由于加工不当而造成U型缺口底部产生白层缺陷。试样加工影响是导致钢轨冲击性能异常的重要因素。

图1 冲击试样U型缺口处白层组织

1.2 片层间距的影响

用QUANTE400扫描电镜对U71Mn钢轨不同部位（见图2）冲击试样的珠光体片层间距进行测量，在试样中随机选择5个视场测量片层间距，测量结果见图3。可以看出，轨头、轨腰和轨底的片层间距在226－327nm之间，都属于较细片间距［5］，相差不大，其对冲击性能异常的影响较小。

1.3 夹杂物的影响

对冲击性能为6.5J的试样，用扫描电镜对其断口进行分析，结果见图4。可以看出断口为解理断口，断口河流花样起源于图中椭圆线内区域，在该区域发现大型夹杂，为氧化物类夹杂。内部大型脆性夹杂物是导致钢轨冲击性能异常的重要因素。

图2 钢轨不同部位冲击试样取样位置

图3 U71Mn钢轨不同部位片层间距

图4 钢轨冲击试样断口内氧化物夹杂物

1.4 内部偏析影响

对冲击功为5.5J的试样，采用扫描电镜对其断口进行分析，结果见图5。可以看到在脆性解理断口上河流花样起源于直线之间区域，并向外侧发散。对该区域的成分进行分析可知，该区域出现严重的Mn元素的偏析。钢轨成分偏析是导致钢轨冲击性能异常的重要因素。

1.5 内部疏松影响

对冲击性能为4.5J的试样，用扫描电镜对其断口进行分析，结果见图6。可以看到试样为脆性解理断口，在断口内不规则分布着较长的疏松线，断口上河流花样起源于疏松区域，并向两侧发散，造成冲击性能较低。钢轨内部组织严重疏松是导致钢轨冲击性能异常的重要因素。

图5 钢轨冲击断口内的偏析

图6 钢轨冲击试样断口组织疏松

2 钢轨冲击性能异常改善措施

冲击试样表面的白层，钢轨内部的大型夹杂物、严重偏析和疏松都会造成钢轨冲击性能异常。针对这些因素，提出以下控制措施。

（1）加工冲击试样时，由于钢轨的强度和硬度高，必须保证开口刀具状态良好，避免采用使用后期、老化的刀具，开口时保证冷却充分。

（2）合理设定大方坯连铸过程的过热度、轻压下和二冷水等工艺参数，减轻连铸方坯的中心偏析和疏松，可改善钢轨内部的偏析、疏松。

（3）保证钢轨钢冶炼过程的洁净度，减少脆性氧化物夹杂的尺寸和数量。

（4）在钢轨开坯轧制阶段，采用单道次大压下量，保证变形能渗透到轧件中心部位，以改善钢轨的偏析和疏松。

3 结论

通过对钢轨冲击性能异常的冲击试样的微观组织和断口分析，得出以下结论：

（1）造成钢轨冲击性能异常的因素主要包括冲击试样表面加工质量、钢轨脆性夹杂物、内部严重偏析和疏松组织。

（2）冲击试样加工时开口刀具状态良好和冷却充分，可以避免试样加工时出现白层组织。

（3）通过保证钢轨钢冶炼过程的洁净度，合理设定大方坯连铸过程的过热度、轻压下和二冷水等工艺参数，开坯轧制阶段采用单道次大压下量，可减少钢轨脆性夹杂物、内部严重偏析和疏松组织对钢轨冲击性能异常的影响。

［1］金亮星，等.高速铁路振动荷载时程的动力反分析［J］.交通运输工程学报，2005，5（1）：36－28.

［2］TB／T 1632.1－2005，钢轨焊接 第1部分 通用技术条件［S］.

［3］周剑华，等.国产60kg／m U71Mn和U75V钢轨冲击功统计分析［J］.武汉工程职业技术学院学报，2014，26（3）：19－22.

［4］周剑华，李闯，任安超，等.国产60kg／m U71Mn和U75V钢轨冲击功统计分析［J］.武汉工程职业技术学院学报，2014，26（3）：19－22.

［5］崔忠圻.金属学与热处理［M］.北京：机械工艺出版社，2000.