分享：某 AT钢轨端部压溃和掉块原因分析

摘 要:某矮型特种断面(AT)钢轨使用约２a(年)后其端部表面出现压溃和掉块失效.采用宏 观观察、化学成分分析、金相检验和硬度检测等方法,对 AT 钢轨端部压溃和掉块的原因进行了分 析.结果表明:该 AT 钢轨的端部经过了两次感应热处理,使得热影响区重合区域的球状、点状、破 断的珠光体数量较多,导致该区域的硬度、强度偏低,且硬度过渡不均匀,最终该 AT 钢轨端部出现 压溃和掉块失效. 

关键词:AT 钢轨;感应热处理;热影响区;压溃;掉块 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８４２Ｇ０４

矮型特种断面(AT)钢轨因具有整体性强、刚度 大、在使用中不易出现拱腰鼓肚现象、养护维修工作 量小等优异特性而被大量使用于铁路道岔.线路钢 轨则是选用标准钢轨,道岔需要与线路钢轨连接,这 就需 要 将 AT 钢 轨 的 端 部 加 工 成 对 应 的 标 准 钢 轨[１].某公司生产的道岔,在工务段使用约２a(年) 后,AT 钢轨压型的端部出现压溃、掉块失效,严重 影响行车安全.

该道岔钢 轨 的 生 产 工 艺 为:AT 钢 轨 端 部 热 压 型 → 压 型 段 正 火 处 理 → 矫 直 → 机 加 工 → 感 应 热处理.其中:AT 钢轨端部压型是将图１中 AT 钢轨的 BＧB断面压型成标准钢轨的 AＧA 断面;端 部感应热处理是通 过 中 频 感 应 加 热,再 通 过 喷 风 或喷雾等较快冷却 方 式,将 之 前 钢 轨 中 较 多 的 粗 片状珠光体转化成为索氏体(细 片 状 珠 光 体),提 高钢轨端部的硬度和强 度,增 强 其 耐 磨 性.正 常 感应热 处 理 硬 化 层 形 状 如 图 ２ 所 示. 为 查 明 该 AT 钢 轨 端 部 压 溃 和 掉 块 的 原 因,笔 者 对 其 进 行 了一系列的检验和 分 析,以 期 避 免 此 类 事 故 再 次 发生. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观观察 

该 AT 钢轨端部压溃和掉块缺陷形貌如图３所 示,可见其表面锈蚀较严重,工作面有明显的磨耗、 压溃、飞边及掉块缺陷,且整个端部呈中间凸起、两 侧凹下的形貌,即鞍形磨耗. 

１．２ 化学成分分析

在AT钢 轨 端 部 掉 块 处 取 样 ,采 用 岛 津PDAＧ７０００直读光谱仪对其进行化 学 成 分 分 析,结 果 见 表１,可见该 AT 钢轨化学成分符合 TB/T２３４４－ ２０１２«４３kg/m~７５kg/m 钢 轨 订 货 技 术 条 件»的 要求. 

１．３ 金相检验 

在该 AT 钢轨端部切取４块剖面试样,取样位 置如图３b)所示.依据 GB/T１５０６１－２００５«钢中非 金属夹杂物含量的测定———标准评级图显微检验 法»对该钢轨进行非金属夹杂物检验,结果为:A０, B０,C０,D１,可见该 AT 钢轨非金属夹杂物较少,符 合技术要求,其 D类(球状氧化物类)夹杂物形貌如 图４所示.

用４％(体积分数)硝酸酒精侵蚀后,该 AT 钢 轨端部剖切面的宏观形貌如图５所示.由此４个剖 切面形貌可知,该 AT 钢轨端部在压型后经过了２ 次感应热处理,第２次热处理深度比第１次的浅,并 且距离压型端部越近,两次感应热处理的深度相差 就越大.由 剖 切 面 上 的 裂 纹 形 貌 可 知,裂 纹 面 与AT 钢轨工作面基本平行,裂纹穿过了感应热处理 的热影响区与母材或硬化区的过渡处. 

AT 钢轨轨顶未见明显脱碳,感应热处理硬化 区显微组织为细珠光体＋断续网状铁素体,未见马 氏体、贝氏体等组织,如图６所示.母材显微组织为 细珠光体＋粗片状珠光体,如图７所示.剖切面４ 中位置 E,G 以及剖切面１中感应热处理热影响区 的显微组织为呈球化趋势的珠光体,而且剖面１中 热影响区的球化趋势更加严重,如图８和图９所示.

１．４ 硬度测试 

对上述４个剖切面中各区域进行硬度测试,取点 位置如图５所示,硬度测试结果见表２.可见硬化层 处位置B的硬度满足 TB/T１７９９－１９９３«道岔钢轨件 淬火技术条件»中３２~４０HRC的要求;两次感应热处理热影响区重合区域的硬度最低,即位置 C处.

２ 分析与讨论 

该 AT 钢轨的化学成分、非金属夹杂物、脱碳层 等分析结果都符合标准要求因此该 AT 钢轨的压溃 和掉块缺陷与母材质量没有直接关系.该钢轨端部 的剖切面宏观形貌、显微组织和硬度测试结果说明, 该 AT 钢轨端部过渡段及成型段上,存在着二次感应加热的痕迹,并且第二次加热的深度要小于第一 次的,硬化层从过渡段到成型段经历了重合到分离 的过程.两次感应热处理热影响区重合区域的硬度 偏低,只有２３．８HRC.

热影响区重合区域的显微组织为趋于球化状的 珠光体,这类组织的硬度低,切削性好,冷形变能力 强.在共析转变温度以下长期加热,片状珠光体有 球化趋势[２].感应热处理时热影响区的温度一般接 近或低于球化退火的温度,在温度较低的区域,部分 碳化物没有溶解,保持原来的片状珠光体形态,部分 溶解的碳化物尺寸减小或片状破断,生成点状珠光 体.在温度稍高的区域,碳化物溶解相对充分,会形 成部分的球状珠光体[３].两次感应加热,使热影响 区重合区的球状、点状、破断的珠光体数量明显增 多,从而 导 致 热 影 响 区 重 合 区 的 硬 度、强 度 明 显 下降. 

正常感应热处理的硬化层显微组织如图 ６ 所 示,为索氏体＋少量沿晶铁素体,热影响区为细片 状、粗片状、趋球化珠光体的混合组织,并且过渡均 匀.其能显著提升钢轨端部的硬度和强度,增强其 耐磨性和抗冲击性,延长 AT 钢轨的使用寿命.但 该 AT 钢轨,经过两次感应加热后,在热影响区的重 合区域硬度急剧下降,不但远低于硬化区硬度,也低 于母材硬度,使得该区域的硬度过渡不均匀.由于 该 AT 钢轨端部淬火工艺不良,淬火区与非淬火区 硬度过渡不均匀,在列车载荷的多次作用下,该部分 产生压陷,形成钢轨接头中间凸起,两侧凹下的鞍形 磨耗[４].

细珠光体、球状珠光体和粗片状珠光体之间的 强度和塑性不同,造成硬化层与热影响区交界处组 织的应力波动,加之钢轨工作边圆角处本就受较大 的剪切应力[５],在该剪切应力的作用下于应力波动 处萌生裂纹,并在剪切应力作用下持续扩展[６],也就 是说微裂纹将在这两类组织的过渡处起始并发展.由图５可知,裂纹均穿过了感应热处理的热影响区 与母材或硬化区的过渡处,在较大的交变应力下通 过强度最低的热影响区,扩展到 AT 钢轨端部的侧 面,最终产生压溃.压溃后,该 AT 钢轨端部表面出 现不平整现象,这些不平整将增大车轮对钢轨的冲 击作用,在轮轨之间重复滚动载荷作用下,钢轨内部 由于塑性而产生的残余应力/应变将逐渐累加[７],最 终导致了该 AT 钢轨端部的掉块. 

３ 结论及建议 

该 AT 钢轨端部经过两次感应热处理,使得热 影响区重合区域的球状、点状、破断的珠光体数量较 多,导致该区域的硬度、强度偏低,且硬度过渡不均 匀,最终引起该 AT 钢轨端部的压溃和掉块.

由于钢轨感应热处理是 AT 钢轨生产环节的重 点工序,建议加强感应热处理过程监控,严格执行工 艺,避免重复热处理.

参考文献: 

[１] 何文超．时速２００km??h－１ 铁路道岔６０AT 尖轨锻压 过渡段疲劳试验早期断裂原因分析[J]．理化检验(物 理分册),２０１３,４９(８):５４１Ｇ５４５． 

[２] 潘金生,仝健民,田民波．材料科学基础[M]．北京:清 华大学出版社,２０１１． 

[３] 任颂赞．钢铁金相图谱[M]．上海:上海科学技术文献 出版社,２００３． 

[４] «钢轨伤损图谱»编委会．钢轨伤损图谱[M]．北京:中 国铁道出版社,２０１５． 

[５] 龚利军．U７５V 热轧钢轨伤损原因分析[J]．理化检验 (物理分册),２０１４,５０(６):４５３Ｇ４５６． 

[６] 邹定强,田常海,邢丽贤,等．全长淬火钢轨踏面伤损 及横向疲 劳 断 裂 分 析 [J]．中 国 铁 道 科 学,２００４,２５ (２):８８Ｇ９１． 

[７] 张立民．轮轨接触应力与钢轨波磨分析[J]．西南交通 大学学报,２００３,３８(１):３４Ｇ３７． 

文章来源——材料与测试网