钢轨轨头下颚水平裂纹伤损的研究

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1、钢轨轨头下颚水平裂纹伤损的研究82 铁道建筑 RailwayEngineeringJune,2006 文章编号:1003.1995(2o06)06—0082—03 钢轨轨头下颚水平裂纹伤损的研究 邹定强,高春平,杨其全,卢观健 (铁道科学研究院金属及化学研究所,北京100081) 摘要:对轨头下颚水平裂纹伤损钢轨进行宏观和微观检验,结合钢轨生产加工工艺及钢轨受力分析,指 出产生轨头下颚水平裂纹伤损的内因和外因,为避免线路上类似伤损发生,应严格控制钢轨表面的轧制 质量. 关键词:轨头下颚裂纹检验伤损 中图分类号:U213.42文献标识码:B 某干线在线路大修时换上的50kg/ITIU71Mn钢

2、轨,经过一年多的运营,在曲线半径400～450m路段 外股钢轨上相继出现轨头下颚水平裂纹,曲线允许通 过速度为70～80km/h.裂纹产生在钢轨轨距角侧靠 近轨头下颚的轨腰处,表面裂纹进水锈蚀可以观察到 透锈的表面裂纹(图1),透锈裂纹长度90～200mm. 图1钢轨轨头F颚裂纹透锈照片 l检验分析 1.1宏观分析 1.1一.1轨头下颚水平裂纹的宏观形貌 ‘用磁粉探伤方法对钢轨轨头下颚水平裂纹进行探 伤,其分布位置和表面宏观形貌见图2,轨头下颚裂纹 均分布在钢轨轨距角侧靠近轨头下颚的轨腰部位,裂 纹在轨腰表面沿水平方向分布,裂纹至轨头踏面的垂 向距离约为43～48mm.水平裂纹呈断续的波浪形状

3、 由多条”短裂纹”组成. 1.1.2轨头下颚水平裂纹断口的宏观形貌 将水平裂纹打开,其断口宏观形貌如图3所示. 从特征看,裂纹起源于轨腰表面并以多源形式向内部 疲劳扩展,疲劳扩展区深度最大为5mm,最小为0.5 mill,每个疲劳扩展区相连处具有台阶状形貌特征. 1.2微观分析 1.2.1断口的扫描电镜形貌 图2用磁粉探伤方法显示出的裂纹宏观形貌 图3裂纹打开后断口宏观形貌 经扫描电子显微镜观察,断口的裂纹源均位于! 腰表面(图4);疲劳断口区已轻微锈蚀(图5),各疲 扩展区相连处形成台阶形貌. Xi2982imm—X200983l00lm—— 注:图中上方为轨腰表面 图4断口的扫描电镜形貌

4、图5图4中疲劳断口 高倍形貌 1.2.2轨头下颚水平裂纹金相组织形貌 对存在轨头下颚水平裂纹的钢轨取横截面金 2006年第6期钢轨轨头下颚水平裂纹伤损的研究83 样,从金相检验中得知,在轨距角一侧的轨头下颚轨腰 表面一般均有一条或多条水平裂纹(如图6),其中主 裂纹由于产生和扩展较早,表面开裂处形态已呈开口 状,裂纹的宽度较宽,向内部扩展也较长(长约5.5 mm).而在主裂纹附近的次裂纹则相对较细且较短 (长约0.47nkr/1).从细裂纹形态则可以看出裂纹是自 轨腰表面的尖缺口处起裂并向内部扩展的(图7). 注:左边为轨腰表面,上面为轨头 图6钢轨轨头下颚 水平裂纹微观形貌100× 图7图

5、6中次裂纹起 裂处组织形貌200× 1.2.3轨腰表面的金相组织形貌 对钢轨横向截面的金相观察中发现,轨腰表面多 处存在有折叠裂纹缺陷. 图8为钢轨在轨距角一侧的轨腰表面折叠裂纹, 图中左侧为轨腰表面,浅灰色区域为折叠裂纹,头部呈 三角形尾部逐渐变细,裂纹与轨腰表面呈一较小的倾 斜角度,裂纹两侧为全脱碳层. 经观察,不仅在轨距角一侧的轨腰表面有折叠裂 纹,在另一侧轨腰表面也存在折叠裂纹(图9). 图8钢轨横向截面作用图9钢轨横截面非作用 边轨腰表面折叠裂纹形貌边轨腰表面折叠裂纹形貌 400×200× 在距裂纹3mm左右处的水平金相样上,发现在 靠近轨腰表面的地方有折叠裂纹存在(图l0).结合

6、上面在横截面的检查结果,可以认为折叠裂纹是以一 定的倾斜角度而非水平的嵌入轨腰内部的,因此在纵 向磨面中靠近轨腰表面仍有折叠裂纹形貌存在. 金相检验分析表明,在钢轨轨头下颚处的轨腰表 面普遍存在折叠裂纹,折叠裂纹长度各异,一般在0.3 — 0.8舢之间;距轨腰表面的垂直深度大约在0.1～ 0.2mm之间.折叠裂纹与轨腰表面以较小的倾斜角 度深入到轨腰内部,形成轨腰的表面缺陷. 图10钢轨纵向磨面靠近轨腰表面的折叠裂纹形貌 2轨头下颚水平裂纹伤损特点与伤损原因 2.1轨头下颚水平裂纹伤损特点 轨头下颚水平裂纹出现在曲线外股钢轨轨距角侧 的轨腰部位,距轨头踏面的垂向距离约为43～48nkr/l.

7、裂纹在轨腰表面沿水平方向呈断续形状分布,由多条 “短裂纹”组成.裂纹断口的宏观形貌及微观形貌检验 结果表明,水平裂纹是由多个起源于轨腰表面的疲劳 裂纹组成. 2.2轨头下颚水平裂纹伤损原因 在一定的应力条件下,当表面缺陷的尺寸(或缺陷 当量)达到裂纹萌生的门槛值时,疲劳裂纹开始萌生并 向深处扩展.轨头下颚水平疲劳裂纹的产生和发展, 与裂纹源部位轨腰处的应力状态,轨腰的表面质量及 冶金质量等因素有关