分享：60Si2CrA Ⅱ型弹条断裂原因

摘 要:某线路中的60Si2CrA 热轧弹簧圆钢Ⅱ型弹条在服役6a多后断裂。采用宏观观察、化 学成分分析、硬度测试、金相检验、断口分析等方法对其断裂原因进行了分析。结果表明:弹条表面 的防腐涂层剥落使其长时间暴露在腐蚀介质中,并形成了腐蚀凹坑,腐蚀凹坑降低了弹条疲劳强度 并引起应力集中,裂纹在该处萌生并不断扩展,最终发生腐蚀疲劳断裂。 

关键词:Ⅱ型弹条;腐蚀疲劳;腐蚀凹坑;失效分析 

中图分类号:TG115                                            文献标志码:B                                       文章编号:1001-4012(2022)05-0067-03

随着我国铁路重载化、高速化发展以及行车密 度日益增加,铁路扣件系统面临着更加复杂的工况, 对其相关零部件也提出了更高的性能要求[1]。弹条 是铁路扣件系统中限制钢轨纵向位移、横向位移,连 接钢轨与轨枕的关键零部件,其利用自身弹性变形 储存的能量来缓解钢轨整体受到的机械振动和冲击 作用,在服役过程中往往承受较为复杂的弯曲-扭转 交变应力,有时还受到突然的冲击载荷作用。近年 来,弹条失效问题日益突出[2-5],某线路上一个Ⅱ型 弹 条 扣 件 在 服 役 过 程 中 断 裂,弹 条 的 材 料 为 60Si2CrA 热轧弹簧圆钢,服役时间为6a多。为分 析该弹条断裂的原因,笔者对其进行了一系列的相 关理化检验。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察

图1 断裂弹条宏观形貌 对断裂弹条的宏观形貌进行观察,断裂位置为 侧肢中后部(见图1)。弹条表面防腐涂层已基本剥 落,表面锈蚀严重,可见大量点蚀坑,已形成麻面,未 见裂纹及局部擦伤痕迹。断口整体较为平坦(见图 2),周围无宏观塑性变形痕迹,裂纹源位于弹条侧肢 中后部下方,覆盖有大量深黄色腐蚀产物,辐射出放射状条纹;扩展区可见清晰的贝纹线,为典型疲劳断 裂特征,腐蚀产物沿贝纹线富集;瞬断区位于断口最 边缘位置,所占面积较小,呈剪切唇形态。弹条的断 裂形式初步判断为腐蚀疲劳。

1.2 化学成分分析 

在裂纹源附近取样进行化学成分分析,结果如 表1所示,化学成分满足 GB/T1222—2016 《弹簧 钢》对60Si2Cr钢的要求。

1.3 硬度测试 

对弹条进行洛氏硬度测试(C 标尺),测试结果 为 43.5HRC,44.0HRC和43.0HRC,满足TB/T 3065.2—2002《弹条Ⅱ型扣件 第二部分:弹条》对 弹条硬度的要求(42~47HRC)。

1.4 金相检验 

在裂纹源附近沿轴向取样进行金相检验,其结 果如图3所示,依据 GB/T10561—2005《钢中非金 属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》中的 A 法进行非金属夹杂物评级,检测结果为 A0,B0, C0,D0.5,DS0 级,符 合 GB/T1222—2016 《弹 簧 钢》对非金属夹杂物的要求。裂纹源附近的显微组 织为回火索氏体,脱碳层深度约为0.075mm,符合 标准 TB/T3065.2—2002对弹条显微组织及脱碳 层深度的要求。在裂纹源附近发现大量的点蚀坑, 说明弹条外表面的腐蚀较为严重。 

1.5 断口分析 

将断口用酒精超声清洗后烘干,利用扫描电镜观 察断口形貌。在裂纹源区可见蘑菇状腐蚀产物[见图 4a)],扩展区可见疲劳辉纹[见图4b)]。在酒精中加入 少量盐酸,再次超声清洗后进行扫描电镜观察,裂纹源 处可见一处深度约为0.13mm的凹坑[见图4c)],凹坑 处有泥状花样腐蚀产物附着[见图4d)],对腐蚀产物进 行能谱分析(见图5),结果如表2所示,可知腐蚀产物 主要含有氧、铁元素,为铁的氧化产物Fe2O3。

2 综合分析 

经上述理化检验综合分析,弹条的化学成分、硬 度、非金属夹杂物、显微组织、脱碳层深度均符合相 关 标准要求,说明弹条断裂与材料本身及热处理工艺无关。通过断口宏观及微观观察,疲劳断口三区 特征明显,扩展区可见明显疲劳辉纹,裂纹源处发现 腐蚀凹坑,有泥状腐蚀产物附着,能谱分析结果显示 腐蚀产物主要为铁的氧化产物 Fe2O3,因此确定断 裂形式为腐蚀疲劳断裂。 

综上所述,弹条防腐涂层剥落及其长时间暴露 在空气等腐蚀介质中,弹条表面被腐蚀形成蚀点,蚀 点连接起来并逐渐扩展延伸,最终在弹条表面形成 深浅不一的腐蚀凹坑缺陷,腐蚀凹坑降低了弹条该 处的疲劳强度并产生应力集中。弹条在服役过程 中,尾部跟端支点附近承受着更大的交变载荷及冲 击载荷,使得裂纹在腐蚀凹坑处萌生并不断扩展,最 终发生断裂。

3 结论与建议

弹条表面防腐涂层剥落使其长时间暴露在腐蚀介 质中是造成弹条腐蚀疲劳断裂的主要原因。建议优化 弹条防腐防锈处理工艺,提高弹条的耐腐蚀性能。 

参考文献: 

[1] 刘慧娟.铁路弹条扣件系统失效分析[D].天津:河北 工业大学,2017. 

[2] 郭和平,李彪,李玉生.60Si2MnA 弹条断裂分析[J]. 失效分析与预防,2011,6(2):90-93. 

[3] 盛伟,付传锋.高速铁路扣件系统的类型与应用[J]. 金属加工(热加工),2010(7):31-35. 

[4] 王文秀,王振,赵磊,等.高速铁路用 SKl15型弹条失 效分析[J].金属热处理,2013,38(12):108-112. 

[5] 张金.某铁路用 ω形弹条疲劳断裂原因[J].机械工程 材料,2014,38(1):96-98. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 5期 (pp:67-69)>