钢轨核伤断裂原因检验分析

■ 邢丽贤　邹定强　杜涵秋



钢轨核伤断裂原因检验分析

■ 邢丽贤邹定强杜涵秋

摘 要：通过宏观、微观形貌观察，金相、化学成分及低倍检验，分析钢轨核伤的断裂性质及断裂原因。分析结果表明，钢轨核伤断裂为起源于轨头内部的横裂型核伤，轨头内部存在白点缺陷，是导致形成轨头内部横裂型核伤的主要原因。确定钢轨核伤断裂性质及断裂原因，可为预防此类伤损提供借鉴。

关键词：钢轨核伤；断裂；白点；横裂型核伤；疲劳裂纹；金相组织

钢轨核伤即钢轨内部疲劳裂纹，是指钢轨内部的制造缺陷（冶金缺陷、热处理缺陷等）在运行载荷作用下形成和扩展的疲劳裂纹。当内部裂纹未扩展到钢轨表面，钢轨断口具有金属光泽，一般称为白核；当内部裂纹已扩展到钢轨表面，由于氧化腐蚀使断口呈暗褐色，一般称为黑核。目前根据轨头内部裂纹的形成位置、裂纹形状及其扩展特点，将钢轨轨头核伤分为轨头纵横裂型核伤和轨头横裂型核伤2种[1]。其中轨头横裂型核伤是危害性最大的伤损形式之一，已成为影响铁路运输安全的主要伤损类型。

某线路钢轨在通过货物总质量约680万t后，发生轨头横向核伤断裂。线路曲线半径800 m，坡度11.2‰，自铺设起运营约1年3个月，通过货物总质量约680万t，核伤钢轨为国产U71Mn 50 kg/m钢轨，线路允许速度60 km/h[2]。通过对核伤断裂钢轨进行断口宏微观形貌观察，金相组织、化学成分及低倍检验，确定钢轨核伤断裂性质及断裂原因，为预防此类伤损提供借鉴。

1　试验过程及结果

1.1宏观观察

送检断轨样侧面的宏观形貌见图1；断口的宏观形貌见图2；轨头断口的宏观形貌见图3；裂纹源区及断口的形貌特征见图4。从图2可见，裂纹源区位于轨头中间部位，距踏面下约14 mm，呈蜂窝状形貌，蜂窝状斑痕直径约4 mm；裂纹从轨头中部蜂窝状斑痕向轨头侧面、轨头下颚和轨头踏面疲劳扩展，横向疲劳扩展区断口的宽度约62 mm、高度约49 mm，发生横向脆性断裂。轨头裂纹源及断口由裂纹源、疲劳断口、疲劳台阶和脆性断口组成，裂纹从轨头向轨腰和轨底方向扩展，轨腰和轨底断口基本为脆性断口形貌。

图1　断轨样侧面的宏观形貌

图2　断口的宏观形貌　

图3　轨头断口的宏观形貌

图4　裂纹源区及断口的形貌特征

1.2断口微观观察

扫描样断口的宏观形貌特征见图5。对裂纹源及断口进行扫描电镜观察，扫描样断口及裂纹源区的低倍形貌特征见图6；裂纹源区断口的形貌特征放大见图7；疲劳扩展区断口的形貌特征放大见图8；瞬断区脆性断口的形貌特征放大见图9。观察发现裂纹源区断口为穿晶准解理断口特征，有二次裂纹 （见图6和图7） ；疲劳扩展区观察到疲劳台阶、疲劳碾压变形及疲劳扩展弧线等疲劳扩展形貌特征（见图6和图8） ；瞬断区断口为脆性断口，具有解理断口形貌特征（见图9）。

1.3金相显微组织观察

在断轨样裂纹源区取纵向金相样，金相磨面垂直于断口且沿钢轨纵向，裂纹源区整条裂纹的显微组织形貌见图10；裂纹源区裂纹的显微组织形貌见图11；裂纹尖端的显微组织形貌见图12；基体组织见图13。图10—图12的裂纹源处金相组织正常，在裂纹源处观察到一条长约2.57 mm的沿钢轨纵向裂纹，其为穿晶裂纹，两侧没有氧化脱碳特征，组织为正常的基体组织；图13的断轨样基体组织由珠光体加少量铁素体组成。

1.4低倍检验

对断轨样进行低倍组织检验，轨头横断面低倍检验照片见图14；轨头纵断面低倍检验照片见图15。在图14中，轨头中部存在数条微细裂纹，长1～5 mm；在图15中，有一条明显的裂纹，靠近踏面一端，距踏面约8 mm，长约20 mm，距断口62～67 mm。

1.5化学成分

对断轨样进行化学成分检验，其化学成分符合GB 2585—2007《铁路用热轧钢轨》中U71Mn的要求。断轨样化学成分检验结果见表1。

图5　扫描样断口的宏观形貌特征

图6　扫描样断口及裂纹源区低倍形貌特征

图7　裂纹源区断口的形貌特征放大

图8　疲劳扩展区断口的形貌特征放大

图9　瞬断区脆性断口的形貌特征放大

图10　裂纹源区整条裂纹的显微组织形貌　

图11　裂纹源区裂纹的显微组织形貌

图12　裂纹尖端的显微组织形貌　

图13　基体组织

图14　轨头横断面低倍检验照片

图15　轨头纵断面低倍检验照片

表1　断轨样化学成分检验结果　%

1.6力学性能

对断轨样进行力学性能检验，其中伸长率为6.5%，低于技术条件要求（伸长率A≥9%），表明断轨样钢轨的力学性能不符合GB 2585—2007《铁路用热轧钢轨》中U71Mn的要求。断轨样力学性能检验结果见表2。

表2　断轨样力学性能检验结果

2　分析与讨论

送检断轨样裂纹源位于轨头中间部位，宏观呈蜂窝状形貌，裂纹首先从轨头中部的蜂窝状斑痕分别向轨头踏面、轨头侧面和轨头下颚疲劳扩展，当横向疲劳扩展区断口达到一定面积时，裂纹向轨头四周的钢轨表面、轨腰和轨底方向快速扩展，发生横向脆性断裂。送检断轨样宏观断口由裂纹源、疲劳断口和脆性断口组成。

在扫描电镜下，观察发现裂纹源区断口为穿晶准解理断口特征，有二次裂纹；疲劳扩展区观察到疲劳台阶、疲劳碾压变形及疲劳扩展弧线等疲劳扩展形貌特征；瞬断区断口为脆性断口，具有解理断口形貌特征。在断轨样裂纹源区取纵向金相样，观察发现裂纹源处金相组织正常，在裂纹源处存在一条长约2.57 mm的沿钢轨纵向穿晶裂纹，裂纹两侧没有氧化脱碳特征，组织为正常的基体组织；在钢轨踏面附近观察到碾压变形显微组织特征；断轨样的基体组织正常，由珠光体加少量铁素体组成。断轨样化学成分检验符合要求，力学性能检验不符合要求，低倍组织检验结果如1.4低倍检验所述。低倍中出现的裂纹应是钢中白点缺陷形成的发纹。

结合断轨样的化学分析、力学性能和低倍组织检验结果，对钢轨断口进行的宏微观分析表明，送检断轨样的裂纹起源于轨头内部的横裂型核伤，裂纹源位于踏面下约14 mm的轨头内部中间部位，裂纹源区域断口宏观呈蜂窝状形貌特征，扫描形貌为准解理形貌。结合在横断面及纵断面低倍中发现的发纹形貌，分析认为，裂纹源区即为钢轨中的发纹，发纹的存在使轨头内部金属分离形成轨头内部缺陷。在列车通过时，钢轨受到轮轨动弯应力作用，在应力作用下，裂纹从发纹处开始萌生疲劳裂纹并向四周扩展。由于白点缺陷的存在，使钢轨的脆性增大，一旦开始疲劳扩展，疲劳裂纹扩展速率很高，核伤会快速扩展达到临界断裂尺寸进而发生脆性断裂。

白点是钢中氢含量过高引起的氢致裂纹，是钢轨不允许有的低倍缺陷。GB 2585—2007《铁路用热轧钢轨》中6.6.2规定：钢轨不得有白点。白点会导致钢轨在铺设使用过程中发生疲劳断裂和脆性断裂，是严重危及行车安全的伤损，如钢轨断裂是白点造成的，应将同炉号钢轨全部更换。

3　结论

送检断轨样的裂纹起源于轨头内部的横裂型核伤，轨头内部存在白点缺陷，是导致形成轨头内部横裂型核伤的主要原因。

4　参考文献

[1] 邹定强，杨其全，邢丽贤，等. 钢轨失效分析与伤损图谱[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

[2] 邢丽贤，邹定强，杜涵秋，等. 河白干线K18.312 km处钢轨核伤断裂原因检验分析[R]. 北京：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，2015.

[3] GB 2585—2007 铁路用热轧钢轨[S].

邢丽贤：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081

邹定强：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081

杜涵秋：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究实习员，北京，100081

责任编辑 卢敏

中图分类号：TG26

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2016）02-0071-03