爆炸硬化高锰钢组合辙叉水平裂纹伤损分析

鹿广清

(中铁山桥集团有限公司,河北秦皇岛 066000)

1 爆炸硬化高锰钢组合辙叉技术简介

高锰钢组合辙叉主体采用带翼轨的大锰钢叉心与翼轨、叉跟尖轨拼装结构(图1)，与其他类型拼装(组合)辙叉相比，其间隔铁与心轨为整体结构并进行增加实体厚度设计[1-2]，提高抗弯模量、增加结构的稳定性；翼轨为立墙结构，可有效抵抗垂向力，避免了钢轨结构轨头在偏载作用下形成的翼轨断裂现象，保证了运行安全[3]。

整铸大叉心结构充分避免了其他结构的局限，为优化轮轨关系设计提供了有效的结构空间[4-6]。针对重载线路与客货混运线路，分别采用不同的轨顶轮廓[7-8]，从而提高心轨使用寿命、减少养护维修工作量。

图1 高锰钢组合辙叉结构

高锰钢组合辙叉其优势在于辙叉主要冲击部位采用高锰钢材质，得以充分发挥其安全系数高即裂纹敏感性低这一其他材质不具备的优良特性[9]。爆炸硬化高锰钢辙叉通过对主要冲击部位进行深度爆炸硬化处理，提高了初始硬度即耐磨性及在线使用磨耗后实施焊补修复的可能性[10-11]。

以上设计思路正确，结构可靠，为辙叉使用寿命的提高奠定了有利的技术基础。该种辙叉虽在国内尚属新产品，但在美国铁路线已有几十年的安全稳定的使用历史，通过对辙叉多次焊补修复，最大通过总重可达10亿t以上[12]。

2 典型的心轨水平裂纹伤损分析

2.1 伤损型式

图2 典型的水平裂纹形态

该型式的水平裂纹(图2)首先在西平线60 kg/m、18号辙叉中发现，之后在武汉局、呼和局、北京局均有发现，同时在朔黄线随着冷隔裂纹的消除和重新判别也陆续被发现。裂纹发生在轨顶面以下10～20 mm，呈不规则水平发展，个别辙叉会出现间断发展趋势。出现水平裂纹下道多数通过总重不超过1.5亿t，个别辙叉不到5 000万t，严重影响平均通过总重。

2.2 原因分析

针对较多数量的水平裂纹，通过大量调研、理化分析、实验验证，认为下述原因导致水平裂纹的发生。

2.2.1 爆炸硬化影响

以前的非爆炸硬化辙叉虽然个别存在水平裂纹，但仅是个例，不是主要破坏形式，因此较多数量出现这种水平裂纹有理由从爆炸硬化角度进行分析。

(1)爆炸硬化机理

爆炸硬化是基于高锰钢材质的特性，在工厂内完成冲击硬化过程，提高辙叉轮轨接触面硬度和强度的一种工艺方法。爆炸硬化是利用炸药爆炸的瞬间产生的强烈冲击波对金属冲击[13]，这种高密度的冲击波在金属中传播，使金属晶格发生扭曲，改变金属材料组织结构，提高了金属硬度，同时提高了金属强度。爆炸硬化的关键是布药方式、爆炸当量和爆速的控制。

通过硬化前后组织对比(图3)看出，硬化前后均为奥氏体，但硬化后晶粒内有大量滑移线，这正是经爆炸硬化表面强化、硬化的金相特征。

图3 爆炸前后金相对比

(2)硬化机理分析

为研究爆炸硬化强变形对高锰钢辙叉的损伤，燕山大学对比研究了爆炸硬化强变形和轧制变形高锰钢的组织[10]。

虽然两种不同的变形方式在高锰钢中获得了相同的硬化效果，但是试样中的组织状态却存在明显差别，如图4所示。

这说明，虽然两种不同的硬化过程在高锰钢中取得了相近的硬化效果，但其作用机理是不同的。与常规机械变形相比，冲击波作用的特殊性也使得金属材料具有不同的塑性变形机理。当冲击波在基体中传播时，位错通常在波前产生，位错增殖对于塑性变形的贡献要远大于位错滑移，并且，冲击波的平面特性以及传播的超高速率使位错滑移的活跃程度减弱，因此，在爆炸强变形过程中，高锰钢中位错的活跃程度要远低于轧制高锰钢。而位错的积累与相互作用是造成应力/应变集中的根本原因，因此爆炸强化变形高锰钢晶粒内部的应变集中程度更低(图4(b))。

因此在相同的硬化效果下，两种变形方式处理后高锰钢中的组织状态却差异明显，爆炸强变形高锰钢晶界附近与晶内的应变差异性较轧制高锰钢更加严重，这种组织状态也必将对高锰钢的力学行为产生影响。

图4 爆炸强变形高锰钢(a～d)和轧制变形高锰钢(e～h)的微观组织结构

(3)爆炸硬化辙叉心轨硬度层分布影响

经理化分析，爆炸硬化深度虽然达25 mm以上，但在心轨断面上分布并不均匀(图5)，在爆炸冲击法线外部位因不能直接受到冲击，导致硬化强化能力偏弱(仅受直接受力部分金属的挤压作用)，从而该部位成为硬度分界区域(且多种硬度分布过渡区域很小)，易成为冲击功释放的集中部位，在轮轨作用力的作用下萌生裂纹[14]。当该部位距轮轨作用面较近，力的传力会更为直接，更易萌生裂纹。

图5 硬度层分布示意

(4)爆炸硬化对缺陷形貌的影响

爆炸硬化带来金属的压缩不同于自由锻压属于多向压缩，是沿工件表面法线方向，那么就会将既有三维缺陷(孔洞类)转化为二维缺陷，造成缺陷呈水平纵向居多；同样这种压缩也会使金属沿工件表面法线方向层状叠加，造成工件各向性能异化明显，且工件法线方向的性能呈梯度递减，而由于这种梯度递减造成距轨顶等距位置的一致性，导致裂纹呈水平纵向发展。

上述因素的综合影响使爆炸硬化辙叉的纵向水平裂纹发生几率加大。

2.2.2 内在质量影响

(1)内在质量缺陷

内在质量是基础，孔洞类、缩松类、杂质类缺陷大小与分布均会很大程度影响在线运行伤损发生的时间和程度[15-16]。图6所示为第003号和第046号辙叉心轨水平裂纹上下、附近扫描照片，由于两组辙叉心轨部分裂纹类型基本一致，这里选择了其中具有代表性裂纹进行分析。图6(a)和图6(b)所示为高锰钢辙叉心轨表面裂纹，这类裂纹由表面萌生为正常的疲劳裂纹。图6(c)所示为心轨内部平行于轨顶面的水平裂纹，裂纹扩展距离较长，并且向垂直方向有二次裂纹生成，该类裂纹大多位于心轨表面与水平裂纹中间靠上部位。在水平裂纹附近也观察到了如图6(d)和图6(e)所示的较大面积的缩孔，该缺陷会严重破坏基体的连续性，可见裂纹以缩孔为裂纹源向周边扩展，当与其他裂纹相遇后，便会产生更大的破坏。

图6 003和046辙叉心轨内部裂纹扫描照片

从铸造结构设计上看，该部位设计厚度一般可以达到60 mm以上，整体断面较大，属于高锰钢辙叉铸件最厚大部位，这个部位钢液冷速最慢、凝固最慢，尤其是心轨部位，尽管单纯从心轨看其尺寸较小，但其周边翼轨和底座厚大，造成心轨下20 mm左右的位置极易出现缩孔和气孔，甚至是中央气孔。这是因为高锰钢辙叉在浇铸时轮缘槽朝下，槽中的型砂三面被钢液包围，砂型可能发气，气体易侵入铸件而产生缩松和缩孔和气孔等缺陷。这些缺陷位置在高速重载列车车轮高应力作用下产生应力集中并成为裂纹的萌生位置。

同时心轨与贯通轮缘槽的高度差异，会实际上形成心轨尖端部位处于浇铸时钢水的回流区和紊流区，型腔内杂质首先流向和堆积于该区域，杂质含量高于其他正常部位，因而会造成心轨尖端一定长度范围内易出现夹杂类缺陷。

因此各种不利因素会造成心轨前端的各类缺陷发生率高于其他部位。根据对爆炸硬化试样内部微观残余应力测试结果可知，爆炸造成的强力冲击波会在钢内部界面造成应力集中，如果钢中存在铸造气孔、缩孔和夹杂等缺陷，冲击波会造成这些位置产生裂纹，然后在重载车轮的作用下极易造成裂纹扩展，并造成裂纹迅速扩展。

(2)内在质量对应力分布的影响分析

为了揭示内在缺陷对应力分布的影响，在轮轨接触受力分析的基础上，引入了构造缺陷进行模拟，并进行不同加力工况的准动态仿真。

实际工况中很重要的一点就是已萌生裂缝的延伸，这一算例的主要目的是研究已有缺陷对应力分布的影响，以及探索已有缺陷的扩展方式。缺陷构造为靠近心轨顶端和远离心轨顶端两种形式。缺陷尺寸设定为椭圆形长轴0.3 mm，短轴0.05 mm，体长度2 mm。分别对缺陷的不同位置进行了模拟仿真，见图7、图8。

图7 浅层内部缺陷心轨受力分布

图8 深层内部缺陷心轨受力分布

从应力分布上看，浅层分布缺陷明显存在从接触位置连通到缺陷位置的应力集中区，且连通后应力沿着缺陷向两侧延伸。可以预期在这样的情况下缺陷会沿着两侧进一步生长，致使损伤加剧；当缺陷所在位置靠下时，接触位置的应力集中不足以延伸至缺陷所在位置，所以此时缺陷对于应力分布的影响可以忽略不计。而两者变形情况相同，基本不受缺陷存在影响，缺陷位置并没有出现变形的畸变。

2.2.3 受力分析

(1)心轨、翼轨受力分析

为了更深入地了解辙叉伤损的机理，需要了解辙叉在车轮经过时受力情况，这一部分工作从二维模型简化开展，选取心轨20 mm/30 mm/40 mm面进行受力分析(图9)，以期为改善轮轨关系设计提供依据。

图9 不同位置辙叉心轨、翼轨受力分布

上述分析是以新辙叉、磨耗车轮(现场量测分析)为工况的，从受力分布上看轮轨关系还有优化空间，但这里重点分析心、翼轨的应力分布方向，可以看出横向应力是在转移变化的，以此可以看出交变应力的存在，也成为心轨水平纵裂疲劳破坏的因素。

(2)踏面磨耗后的受力状态分析

运行后心轨顶面形貌发生变化，心轨轨顶接触光带呈近1∶13的倾斜，主要承压面向非通过侧扩展，且多数存在上部金属外延现象(图10中(a)图左侧、(b)图右侧)，说明金属流动造成的剪切形成撕裂破坏，这与裂纹的发生大多集中于心轨主要运行轨迹的外侧的现象相符。该现象与2015年发生的尖轨非工作边出现水平裂纹类似，轮轨作用垂直于作用表面的力转化为内部的剪切应力，在剪切应力作用方向和位置在表面形成释放区，造成表面微裂纹。如图10辙叉工作边圆弧几乎不存在，造成受力与非工作边趋近，剪切作用非常明显。该辙叉通过总重11 679万t。

图10 运行后心轨断面形貌

2.2.4 线路铺设养护影响

(1)线路铺设、养护状况对裂纹的产生和发展影响较大[17]，从朔黄线路破损分布看各站线存在明显区别[18]。经统计分析得出方向、高低(是否空吊)、查照间隔等影响因素较大。从理论上辙叉方向不正确或查照间隔不正确，会使列车车轮靠近或紧贴工作边运行，导致轮轨关系发生变化，轮缘接触几率增大，轮轨作用力向工作边方向转移，易产生工作边肥边，这种肥边的下边缘会萌生裂纹；而高低变化会使列车运行平顺性恶化，冲击力明显增加。

经在线对初期裂纹进行磨修，发现裂纹深度较小，一般不大于5 mm，且经焊修(配合各部位打磨)后保持效果良好。说明该类缺陷是由表层萌发的，不是内部裂纹造成的，但若不进行处理，有向内扩展形成破坏的可能。

2.3 分析结论

高锰钢辙叉心轨位置是铸件厚大截面位置，在铸造凝固时该区域凝固较慢，为最后凝固的区域，易于产生集中缩孔和气孔；同时该部位处于钢水回流区和紊流区，造成杂质含量增加。这两种因素是产生水平纵裂的基本原因；爆炸硬化会造成这些缺陷位置的应力和应变集中，进一步损伤了这些区域高锰钢的性能，形成被破坏的潜在因素；爆炸硬化的硬度梯度和等应力分布状况形成的过渡起始区域是裂纹破坏的薄弱区域；养护维修不及时，形成不利的接触形貌，加剧了内应力向外表面薄弱区域发展的趋势。

综上所述，辙叉心轨20 mm至50 mm断面范围内的轮载转移区， 轮轨冲击最为剧烈是形成异常破坏和疲劳破坏的根本原因。而爆炸硬化方式和非有效维护是萌生水平纵向裂纹、形成异常破坏的主要原因，其他内在质量、轮轨关系等是裂纹发生、发展和疲劳破坏的充分原因。

2.4 安全风险

裂纹类缺陷是具有危险性的缺陷之一[19]。但基于锰钢材质优良的裂纹延迟性特征和高锰钢材质的可在线修复特点，可以通过焊修手段消除缺陷。一般对纵向水平裂纹可采取观测结合焊修的方式。水平裂纹一般会由金属堆积形貌、线纹状形式显示、磨修后显现等方式被发现，日常观测需要一定的经验积累，故而有可能在发现时已发展到一定程度。有以下情况应考虑安排更换，视现状和发展速率采取当天更换或一周内更换：

(1)单侧水平裂纹延伸至轨面1/3范围；

(2)双侧水平裂纹中一侧延伸至工作边圆弧上部；

(3)水平裂纹向槽底方向发展。

水泥：山铝牌P.O 42.5水泥，其熟料的化学成分与物理力学性能列于表1和表2；砂(产地临朐):细度模数为2.5，含泥质量分数为2.0%；骨料：边河碎石，5～25 mm，连续级配，含泥质量分数为0.5%；粉煤灰：莱芜电厂Ⅱ级灰，其成分见表3；矿粉：张店钢铁厂，等级S95，其成分见表3；高岭土：试剂纯，天津市科密欧化学试剂有限公司，其成分见表4；水：自来水.

2.5 改进措施

针对上述因素，分析爆炸硬化方式是主要影响因素，结合其他能够采取措施的可能性，在以下几方面进行了加强。

(1)改进爆炸硬化工艺

改进爆炸硬化布药方式，使爆炸硬化断面形成良好的帽型，减少近工作面的软带和性能层状分布状态。

同时对爆炸硬化还有较大的研究空间：引进的爆炸硬化技术是国际上较为领先的，但最科学合理的工艺应用依然需要相当一个时期的摸索，尤其是当辙叉的结构、运行参数等发生了变化，最优的工艺匹配还需要时间和经验的积累。如爆炸硬化的爆材、爆速以及炸药的布置形式、次数、深度、梯度等工艺，还需要进一步的深入研究及摸索；还需要对爆炸冲击对奥氏体晶格滑移的影响及爆炸硬化冲击对心轨小断面区域结构的影响等持续深入研究；或者改变强化方式，寻求热锻、机械冲击方式实现强化的可实施途径。

(2)加大在线维护方式、方法研究，加大宣传力度，提高在线维护意识和能力，有效实施打磨改善受力状况，消除裂纹趋向；充分利用焊补消除缺陷及恢复正常轮轨关系的优势，是提高使用寿命的必要保证。至少应包含以下几方面内容。

①铺设状态观测。包括道床紧实度、辙叉方向与线型、高低水平及空吊板、查照间隔等，这些铺设状态的好坏直接影响辙叉的正常运行状态。若处于非正常状态，会出现轮轨关系恶化，局部冲击呈几何状态增加，加剧破损和破坏。

②辙叉本体的稳定性。主要包括螺栓松动、折断、钢轨脆断，还应包括扣件系统的合规性(离缝、弹性垫层破损、连接件紧固状态等)和部件间的拉开、离缝等。

③运行状态观测。包括光带正常性、肥边、轮轨作用面形貌、伤损等，按规定进行规范性打磨。

④焊补维修。焊补是消除隐患的有效途径[20]，这在我国还没有适宜的规范性技术文件。美国焊补无论在线上和线下，对缺陷容许焊补规定要宽泛得多。目前还以维规相关规定判断高锰钢辙叉的伤损程度，忽视了缺陷的可消除性和轮轨关系的可恢复性，许多路局站段对焊补还持怀疑态度，造成社会资源的极大浪费。因此有必要制定高锰钢辙叉的维护、保养、焊修和缺陷判定相关标准，不断提升锰钢类辙叉在线使用寿命。

(3)在具备条件的线路上进一步推广心轨加宽技术，从朔黄线心轨加宽辙叉运行情况看，提高心轨的受力面积具有良好效果。

(4)持续提高铸件的内在质量，为产品提供更加优良的基体。

2.6 改进效果

爆炸硬化高锰钢组合辙叉的设计理念和结构设计是基本成熟的，在国外有良好的应用业绩。其在我国虽然经初期试用验证和朔黄铁路的批量上道使用，但仍属新理念产品范畴，通过前文所述的几项改进措施的实施，在朔黄铁路取得了比较理想的改进效果。2017年下道辙叉中超过3亿t的14组，超过3.5亿t的7组，4.2亿t1组，5.2亿t1组，说明高锰钢组合辙叉实现通过总重3亿t以上的目标是可以实现的。

3 结论与建议

高锰钢辙叉爆炸硬化工艺虽然会带来一定程度的负面影响，但是对高锰钢辙叉初期强度、硬度提升的贡献还是非常明显的，爆炸硬化辙叉的平均使用寿命远大于非表面预硬化辙叉，这在朔黄铁路的实际应用中得到了证明。通过不断改进爆炸硬化工艺、提高高锰钢铸造质量、加强线路维护保养，以及高锰钢材质研究(如锻造技术、合金化技术、局部强化技术)的不断进步，爆炸硬化高锰钢组合辙叉的质量将进一步趋于稳定，使用寿命将得到更大的提升。