钢轨失效分析

２ ０ １ ７年 第 ２期
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钢 轨 失 效 分 析
（ 捷克） Ｍａ ｇ ｄ ａ ｌ ｅ ｎ ａ￣ ｍ ｄ ｔ ｒ ａ ｌ ｏ ｖ ｄ ， ｅ ｔ ｃ
摘
要： 该文描述 了重 复发生在距钢轨闪光焊焊缝 处相 同位置 的钢轨 失效 。研究 结果 为 ， 尤 其是 分析钢 轨断 裂表
面 的宏 观断 Ｉ ＝ Ｉ ， 评估 它的宏 观和微观组织和 Ｅ Ｄ Ｓ 分 析表明横 向裂纹产生于轨底脚 ， 通过疲劳机 制扩 展 ， 最终准 解理 断 裂。在钢 轨闪光焊接过程 中钢轨 局部熔 化 ， 该处 为裂纹源 。 关键词 ： 钢轨 ； 横 向裂纹 ； 源头 ； 最终断裂 ； 闪光焊
或 是钢 轨 的 中间 ， 这 个 区域 为两个 焊 接接 头 ， 或是 缺
创 。焊接 过程 中会 在多 处 出现各 类缺 陷 ， 热影 响 区 、 焊缝 、 气孔 、 焊 接残 渣 、 未完 全熔 合甚 至是 裂缝 ， 这 些
缺 陷进 一 步也许 会 成为 使钢 轨失 效 的 的大裂缝 。易
２ 研 究材 料及 过 程
陷就位 于 焊接 接 头 上 。从 实 际 的观 点 来 看 ， 判 断 是 否 是加 工 缺 陷或 是焊 接 钢 轨 所 带 的缺 陷 ， 再 或 者 是 搬 运操 作 过程 和天 气等 因 素使钢 轨严 重 的损 坏 。基 于这些 翔 实 的知识 可 以来 指 导 现 场 生 产操 作 ， 改 进 生 产 流程 ， 以延 长 钢轨 的使 用 寿命 。
如 ６ 消＿ 哳ｒ Ｊ ‘ 的 爆 裂 裂 缝 处点 状 局 部 缺 陷组
织 、这 和 ｛ ｌ ｛ 』 Ｉ ！ ． 微 织 的变化 以 技 此 致 的轨脚 处 的 局 部 质 【 ！ Ｉ Ｊ 划… 现 表 町 以被税 一 个 重 要分 析
方 泫 的 发 脱
图３ 沿 晶断 裂处 Ｓ Ｅ Ｍ 分 析
从 梗 概 中可显 而 易见 的 了解 到 ， 钢 轨 断裂 的实
际原 因可 能是 由于 ： 加 工缺 陷 、 材 料 中 的异常 化学 成
分、 较高的残余应力 ， 基体中分布的一定量的非金属
夹杂物、 钢 中氢 的聚集 和钢 轨 内偏析 、 外 表 面和 内部
共 析 钢化 学成 分一 览表 如表 １ 。
表１ 测试 钢轨的化学成分／ ｗ ｔ ． ％
钢轨失效 分析 基本 观 察检 验 应 把重 心集 中查看
的环形 缺 陷 ， 缺 陷如 图 １ 。此 缺 陷 最 可 能 成 为 钢 轨
钢 轨准确失 效位 置 、 断面， 铁 路 系统 操 作条 件 下 使用 的焊接 的方 法 。宏 观和 微 观 的失效 分 析分 别 试 用版
如 ３一ｆ 冬 １ ５
图４ 枝 晶 断 裂 产 生 出附 近 的 Ｓ Ｅ Ｍ 分析
习１ 断面上 轨脚 失效处 ， 放大 ０ ． ３ ２ ｘ
图５ Hale Waihona Puke Baidu穿晶断裂 产 生 区外部 的 Ｓ Ｅ Ｍ 分析
对 于爆 裂 火效 处 的 桐 分 析 ， 堞 裂处 显微 组 织 蜀２ 裂纹 产 生处断 口 ￥ Ｅ Ｍ 分析
图６ 沿着线状断裂的裂纹产生处， 蚀像放大 ３ ． ５ ｘ
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此 区域 可 以看 到 所有 遭 受 高 温 的组 织 ， 尤其 是 球状 非 金属夹 杂 和从 初期 的珠 光体 组织 （ 如图 ７ ） 转 变到 马 氏体 奥 氏 体 的 混合 物 （ 如图 ８ ） 。如 此 ， 与 所
观察 钢 轨 断 面 可 以 看 到 轨 脚 处 直 径 为 １ ５ ｍ ｍ
彤时Ｊ ： 这 样 局部 组织 的 改变组 织 傲度 异常 的 裂
纹 传逊 ｒ 特 殊 条纹 ｆ ¨ 外 ； 条纹 两 个跨 度 川翁 ｆ 裂
纹 火效 处的最 ｌ 卡 』 Ｊ 的准 静念状 念 Ｌ 述 失效￣ Ｊ Ｌ ｇ ， ｉ ０ 义件
１ 前 言
的缺 陷 、 钢 轨硬 度不 足力 学 强度 较低 、 钢 轨 内部 成 分 不 均匀 、 使 用 了不 恰 当 的 量 纲 参 数 等 因 素 导 致 的 。
钢 轨失 效一 个共 性 的 因素是 由于使用 焊接 技术 的首
钢 轨失 效是 火 车 出轨 和其他 铁路 运输 严 重事 故 的主要 原 因 。现实 中 ， 统 计 钢 轨 失 效 并 对 每 种 类 型 的缺 陷和损 害用 数 字代 码 统计 。一个 重 要 的信息 是 找 到钢 轨缺 陷 的位 置 ， 其 发 生在 钢轨 的尾 部 、 连接 处
受 天气 因素 影 响而 失 效 的 钢 轨 是 由 于 极 端 温 度 影 响， 尤 其是 极端 低 温会使 钢 轨变 脆 。另外 ， 频 繁增 加 个别 原 因将使 钢轨 失效 的风 险 提升 。 本 文分 析 了钢 轨失 效 主要 的原 因 。新 式焊 接方
法在极 端 天气条 件 下使 用约 ６个 月后 的失 效产 生处 为焊缝 深 入约 ２ ０ ０ ｍｍ。
断裂 源 ， 故 以此 失 效 处 为课 题 样 本 进 一 步 细 化 研 究
材料 。
由使用金相学方法和 ｘ射线微观分析断 口， 来分析微 观结 构 以及 发现并解 释钢轨产 生失效 损坏 的原 因 。
３ 结 果
此次 断裂 分析 表 明引起 失 效 的原 因是轨脚 表 面 的一 小 区域 ， 如图２ 。产 生 机 械 断 裂 的部 位 与产 生 静载 断裂 完全 不 同 。我 们发 现 了局部 腐蚀 和 沿 晶断 口， 一个 非常 重要 的 结 论 是 我们 同 时也 发 现 了断 面 伴 随有颗 粒 物 的枝 晶组 织 失 效 ， 在 钢 轨 的高 强 度 变
有 的转变层 次一 同组 成 的热影 响 区表示 出了此 区材
４ 讨 论
通 过 一些 复杂 的失效 分析得 到 引 发断 裂 的区域 在 轨脚 外表 面 ， 也 与钢 轨 其 它 部 位 呈 现 出 的 色彩 不 同 。断 裂分析 发现 了至 少有 两处 枝 晶组织 状并 且极 小 可能 是 由于 钢轨 的变形 加 工造 成 的断裂 源 。枝 晶 组 织 是典 型 的铸态 并局部 加 热到 高温 甚至 熔化 的材 质 。这 条 裂纹 源 位 置 确 定 了一 个 区 域 为铜 （ 黄铜） 电极钢 轨焊 接处 ， 由于高 强 的焊接 击穿 了此 点 ， 最可