大秦铁路重车线U78CrV钢轨锈蚀断裂原因分析

李烨峰，刘丰收，李晨光，李 闯，王 猛

(1.中国铁路太原局集团有限公司，山西 太原 030013；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081； 3.北京中铁科新材料技术有限公司，北京 100081)

大秦铁路是我国第一条重载运煤专线，它的运输安全直接关系到国民经济的发展。2012—2014年期间，大秦铁路重车线先后出现了多起U78CrV钢轨因轨底锈蚀而引起的断轨事故，严重危及到大秦铁路的运输安全。U78CrV钢轨是由攀钢研发的重载铁路用钢轨，从2007年开始在大秦铁路重车线试铺75 kg/m型U78CrV钢轨，从2009年开始广泛铺设使用，取得了很好的使用效果，目前是大秦铁路重车线使用的主要钢轨[1-3]。针对U78CrV钢轨轨底锈蚀引起的断轨问题，文献[4-5]分析发现断轨和环境、温度以及材质都有一定的相关性。在此基础上，本文对U78CrV钢轨轨底锈蚀原因进行分析，同时对比不同材质钢轨的耐蚀及抗断裂性能，综合分析U78CrV钢轨轨底锈蚀断裂的原因。

1 U78CrV钢轨轨底锈蚀原因分析

大秦铁路天马山隧道前期集中出现了U78CrV钢轨因锈蚀而产生的断轨问题。本文对该隧道进行了现场调研。天马山隧道在2012—2015年2个大修周期内共出现了3起因轨底锈蚀引起的断轨，每次断轨时间距离最近换轨时间大概为2年，且断轨时间都是在冬天。

大秦铁路隧道内外环境的主要不同点就在于隧道内空气湿度大，局部有水浸。从现场观测情况来看，钢轨锈蚀地段均存在隧道漏水情况，导致了道床潮湿；有些道旁存在流水，在列车高速经过时会将水带到轨腰或者轨底；地下水的不断渗漏还会导致隧道内的空气变得十分潮湿。由于隧道内湿度大，加上温度较低，且钢轨本身含有铁、碳等多种化学成分，而这些成分的电极电位不同，导致钢轨表面产生了电化学腐蚀反应：在钢轨表面的阳极区，铁被氧化为Fe2+进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被还原为OH-。Fe2+和OH-两者结合成不溶于水的Fe(OH)2，Fe(OH)2进一步被氧化成疏松易脱落的红棕色铁锈Fe(OH)3。

现场引起钢轨锈蚀的原因除了环境潮湿、局部有水浸之外，还和煤灰在重车线轨底聚积有关。冬季低温情况下为防止冻煤，在装车时大量使用防冻液。防冻液的主要成分是氯化钠和氯化钙，而Cl-能明显加快金属腐蚀速度，因为Cl-的存在对金属材料氧化膜产生了破坏作用。因此聚积在轨底的含有防冻液的煤灰会引起甚至加剧钢轨腐蚀[6-7]。

2 不同材质钢轨的耐蚀及抗断裂性能对比

为研究断轨和钢轨材质的关系，分别对大秦铁路使用U75V、U78CrV两种材质的钢轨的耐蚀性能和抗断裂性能进行对比分析。表1为取样情况。

表1 试验钢轨的取样情况

2.1 耐腐蚀性能

中性盐雾试验通过测量在一定试验环境下和一定时间周期内材料的失重率来表征材料的耐腐蚀性能。分别对表1中4种钢轨材料进行中性盐雾试验，采用浓度为50 g/L的氯化钠溶液作为喷雾溶液，最长试验周期为240 h。

图1为这4种钢轨试样的平均腐蚀失重率随时间变化曲线。可以看出，4种钢轨在240 h盐雾试验后平均腐蚀失重率没有明显的差别，热处理U78CrV钢轨稍优于热轧U78CrV钢轨。

图1 4种钢轨试样平均腐蚀失重率随时间变化曲线

2.2 应力腐蚀试验

通过慢应变速率应力腐蚀试验方法对3种材质钢轨(24#,34#,44#)共计12个试样进行了应力腐蚀断裂敏感性试验。平均延伸率与平均面缩率反应的是材料的塑性，塑性性能越好代表材料能承受较大塑性变形而不被破坏的能力越好。图2为3种钢轨试样在应力腐蚀试验中的塑性对比，可以看出，热处理U75V钢轨的塑性要优于热处理U78CrV钢轨，而热处理U78CrV钢轨的塑性则优于热轧U78CrV钢轨。

图2 钢轨塑性对比

典型的应力腐蚀断裂断口最主要的特征是韧窝。图3为在500倍扫描电镜下观察到的试样断口典型形貌。可知，所有试样断口均未发现明显的应力腐蚀断裂特征，即本次试验的所有试样均未发生应力腐蚀断裂。从应力腐蚀试验结果来看，3种材质钢轨在实验室环境下均具有优良的抗应力腐蚀性能，3种材质钢轨抗应力腐蚀性能相差不大，对比来看，24#(热处理U75V)>44#(热处理U78CrV)>34#(热轧U78CrV)。

图3 应力腐蚀试验后试样断口典型形貌

2.3 疲劳裂纹扩展速率

表2为4种钢轨的疲劳裂纹扩展速率的试验结果。可知，2种U75V钢轨疲劳裂纹扩展速率相差不大；2种U78CrV钢轨疲劳裂纹扩展速率也相差不大。

表2 钢轨疲劳裂纹扩展速率试验结果

注：K为应力强度因子范围。

2.4 低温断裂韧性

断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。图4为在-20 ℃ 条件下4种钢轨的断裂韧性结果。可知，热处理U75V钢轨的低温断裂韧性优于热轧U75V钢轨；热处理U78CrV钢轨的低温断裂韧性优于热轧U78CrV钢轨；热处理U78CrV钢轨与热处理U75V钢轨相比低温断裂韧性相差不大，略有提升。

图4 钢轨低温断裂韧性KIC比较

2.5 缺口敏感性

图5 平均缺口拉伸敏感系数对比

要优于热轧U78CrV钢轨，但是劣于热处理U75V钢轨。

2.6 性能综合对比

表3对4种钢轨的耐蚀及抗断裂性能进行了综合对比分析。综合比较来看，4种材质的钢轨在耐蚀性和抗断裂性能上虽然没有太明显的差别，但热轧U78CrV钢轨的耐蚀性、抗断裂能力相比热处理U78CrV和U75V钢轨都要稍差。

3 分析讨论

根据对钢轨现场使用环境的调研分析以及实验室的对比测试结果来看，大秦铁路U78CrV钢轨锈蚀断裂主要和以下3个因素相关。

3.1 应力腐蚀性能的差异

应力腐蚀是由残余应力或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用而产生的材料破坏过程，由此导致材料的断裂称为应力腐蚀开裂。高强度钢发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力(不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之)和特定的腐蚀介质存在。发生断轨的的钢轨具有以上2个条件，拉应力来自钢轨本身的残余应力以及重载列车通过时的动弯曲应力，潮湿以及防冻液构成了特定的腐蚀介质。每种材料由于成份、组织结构和强度不同,均存在一定的应力腐蚀门槛值，高于此值时发生断裂的可能性则明显增大。经实验室研究发现，所测试的钢轨试样在实验室的应力腐蚀试验中均未发生应力腐蚀开裂现象，3种钢轨展现出的耐应力腐蚀性能从好到坏依次是热处理U75V、热处理U78CrV、热轧U78CrV。但是由于实验室环境与更加错综复杂的现场环境不同，且应力腐蚀断裂本身就是小概率事件，因此并不能完全否认现场钢轨断裂是由应力腐蚀因素所导致的这一说法。结合实验室研究发现，热轧U78CrV钢轨与其他材质相比拥有最差的耐应力腐蚀性能，这说明在现场环境下热轧U78CrV钢轨很有可能已经达到了发生应力腐蚀断裂的门槛条件，而这种情况却不足以让其他材质钢轨在相同的腐蚀环境下因为应力原因而发生断裂。

3.2 耐腐蚀性能的差异

中性盐雾试验结果说明了在实验室条件下，调整成分后的热处理U78CrV钢轨的耐腐蚀性能要明显优于其调整成分之前的热轧U78CrV钢轨。这也意味着在相同的腐蚀环境下，调整成分前的热轧U78CrV钢轨在隧道内因潮湿和运营环境所引起的轨底锈蚀情况要比其调整成分之后更加严重，而更加严重的轨底锈蚀情况则代表着轨底更加容易出现裂纹源。

3.3 抗断裂性能的差异

实验室研究发现调整成分之后的热处理U78CrV钢轨的低温断裂韧性和缺口敏感性均优于调整成分之前的热轧U78CrV钢轨。这说明若2种钢轨同时因锈蚀原因而产生性能下降，调整成分之后的热处理U78CrV钢轨比调整成分之前的热轧U78CrV钢轨拥有着更好的抗断裂的能力。

综合以上因素可知，大秦铁路重车线U78CrV钢轨的断裂原因为：钢轨轨底在环境因素的影响下发生锈蚀，并形成锈蚀坑，在钢轨内部拉应力(温度应力及残余应力)以及大轴重列车通过钢轨时产生的动弯曲应力的作用下，钢轨轨底锈蚀坑会成为应力集中点而形成裂纹源，而钢轨材质抗断裂性能不足使裂纹扩展较快，最终导致断裂。

4 结论

通过对大秦铁路重车线使用的U78CrV钢轨锈蚀原因的分析，综合对比了4种钢轨的耐蚀及抗断裂的能力，分析探讨了U78CrV钢轨的断裂原因。结论如下：

1)隧道漏水导致隧道内局部钢轨轨底锈蚀，冬季使用了含有Cl-的防冻液则加剧了钢轨的锈蚀。

2)实验室研究发现：出现过断轨的热轧U78CrV钢轨和其他材质钢轨相比有着相对较差的耐蚀性能及抗断裂性能。

3)大秦铁路重车线U78CrV钢轨的断裂原因为：钢轨轨底在环境因素的影响下发生锈蚀，并形成锈蚀坑，在钢轨内部拉应力(温度应力及残余应力)以及大轴重列车通过钢轨时产生的动弯曲应力作用下，钢轨轨底锈蚀坑会成为应力集中点而形成裂纹源，而钢轨材质抗断裂性能不足使裂纹扩展较快，最终导致断裂。