大秦铁路钢轨断裂原因分析

李 闯，张银花，陈朝阳，刘丰收，周清跃

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)

0 引言

我国铁路主要分为时速200 km/h 以上的高速铁路以及时速200 km/h 以下的既有和重载铁路，此外还存在高原铁路和城市轨道交通等线路。钢轨作为一根支撑在连续弹性基础或点支撑上的无限长梁，起着承载并导向列车的双重作用，其性能直接影响着铁路运输的安全。高速铁路列车速度高，但动车组轴重轻，且线路曲线半径大，钢轨磨耗轻微，主要选用硬度相对较低的U71MnG 和U75VG 钢轨。重载铁路轴重大，曲线半径小，主要选用硬度相对较高的 U75V、U76CrRE、U77MnCr 和U78CrV 钢轨。

大秦铁路属于重载铁路，开通后的前10年，主要开行5 000、6 000 和10 000 t 重载列车，2003年首次开行2 万t 列车。大秦线原设计年输送能力为6 000 万t，远期年运量为1 亿t，2002年运量首次突破亿吨达到1.03 亿t，2005年2.03 亿t，2007年3.03 亿t，2010年4.05 亿t，2013年已达到4.5 亿t。大秦重载铁路运量、轴重和单列最大载重不断增加，为满足其运营，目前重车线铺设的钢轨为75 kg/m 重型钢轨［1-4］。

在大秦铁路重车线集中维修更换钢轨过程中，新换钢轨母材发生断裂。同一批钢轨铺设使用12 d 后，发现钢轨轨头踏面出现横向裂纹，打磨后裂纹仍然存在，随后将其更换下道。为查明原因，在钢轨断裂处取样进行检验分析。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

铺设过程中钢轨断裂后的外观和断口宏观形貌见图1。由图1a 可知，断口附近的钢轨踏面存在不同程度的擦伤，从形貌上判断为新旧两种擦伤。原有擦伤的程度较严重，已形成明显的金属塑性变形层，并已锈蚀。新擦伤较轻，呈现金属光泽，且仅在断口的左侧出现，由此可以判断新擦伤是钢轨断裂后形成的。裂纹源在钢轨踏面中心处，颜色较深，周边无明显疲劳裂纹扩展区(图1b)。表明裂纹形成后，在换轨过程中，由于长轨条自重原因，裂纹以较快速度扩展，最终形成钢轨横向断裂。

图1 断裂位置及断口宏观形貌Fig.1 Fracture position and macrograph of fracture surface

钢轨使用后踏面横向裂纹和人工破断断口(用静弯试验机将钢轨裂纹破断)的宏观形貌见图2。钢轨横向裂纹长度约为36 mm。断口宏观形貌表明，钢轨的横向裂纹已发展成为轨头核伤，黑核面积占整个轨头面积的近1/2，裂纹源在钢轨踏面处，褐色区域为裂纹扩展区，灰色区域为瞬间断裂区(图2b)。

1.2 断口微观观察

在FEI Quanta 400 型扫描电子显微镜下观察图1 断口及裂纹源形貌，结果见图3a。从形貌上可以看出，断口分为深色区域(区域1 和区域2)和浅色区域(区域3)，裂纹源深色区域宽度最大值为6.47 mm，深度最大值为1.94 mm。区域1 深度约0.5 mm，为裂纹形成区域，该区域较平整，未见明显组织形态，无扩展形态;区域2 存在撕裂状断口形貌，为裂纹快速扩展区域;区域3 为瞬间断裂区域。由区域2 能谱分析可知，其中O 含量较高(图3b)。图3c 为区域2 与区域3 的微观形貌，可以看出二者均为解理断口，并无疲劳扩展区域，区域2 锈蚀较为严重。

图2 裂纹位置及内部核伤Fig.2 Crack position and oval flaw

由此可见，钢轨铺设之前就已存在初始裂纹，该初始裂纹由区域1 和区域2 组成，其中区域2是由区域1 发展而来，初始裂纹与外界空气接触，一段时间后发生氧化锈蚀，呈深色。由于钢轨在铺设之前已焊接成500 m 长轨条，因此其自重较大，初始裂纹扩展快，在铺设过程中钢轨发生横向断裂。

1.3 金相检验

为进一步确定区域1 裂纹的形成原因，将试样沿裂纹源处纵向切开，进行金相观察，观察面为纵向(钢轨长度方向)。试样经硝酸酒精侵蚀后的宏观形貌如图4 所示，可见试样表层(钢轨踏面)存在黑色和白色两种不同于基体形貌的组织。裂纹源处存在一层黑色异常组织，远离裂纹源处的钢轨踏面则存在白色异常组织，平均深度均约为0.5 mm，位置位于踏面擦伤处。

图3 裂纹源区域形貌及区域2 能谱分析Fig.3 Morphology of crack initiation and EDS analysis of section 2

图4 裂纹源处显微形貌Fig.4 Macrostructure of crack initiation

在光学显微镜下观察两种异常组织并进行显微硬度测试(图5)，结果显示，黑层硬度为HV 554，白层硬度为HV 749，而基体组织为珠光体及少量铁素体，硬度低于HV 400。分析认为，白层主要为马氏体组织，而黑层则为其回火组织［5-6］。对铺设使用后钢轨轨头踏面早期出现的横向裂纹进行原因分析(图2)，钢轨裂纹源处金相组织见图6，由图可知，在裂纹源处存在异常组织，表层为白色异常组织，次表层为黑色异常组织，即为回火组织，白层组织硬而脆［7-8］，在外力作用下易于破碎和断裂，最终导致钢轨踏面早期出现横向裂纹。列车运行过程中，钢轨受到复杂的循环交变应力作用，不仅承受巨大的垂直载荷，同时由于轮轨之间存在相对滑动和转动，钢轨又承受了纵向摩擦力，裂纹在二者的作用下，向轨头内部快速扩展，最终形成疲劳破坏。

图5 裂纹源处显微组织及硬度Fig.5 Microstructure and hardness of crack initiation

2 分析与讨论

图1 中钢轨踏面存在多处擦伤，为研究其影响，在另一擦伤位置取样观察，同时，为确定母材是否存在白层，在未擦伤处进行金相组织观察，结果见图7。可以看出，擦伤处同样存在白层，显微镜下观察发现白层中已出现裂纹，此裂纹沿钢轨表层发展，并未垂直轨头向下延伸。而未擦伤处组织正常，为珠光体和少量铁素体。由以上分析可以判断，擦伤是形成白层的主要原因。

图6 裂纹处显微组织Fig.6 Microstructure of crack region

钢轨擦伤原因主要有以下几点:一是由于机车常在车站及制动地段起动、停车，当运行在上坡道时，常因起动困难造成车轮空转而擦伤钢轨;二是在轴重大、速度高、坡度大的路段，由于列车个别轮对抱闸行驶，会造成长距离的钢轨表面纵向连续擦伤;三是在列车通过小半径曲线轮轨接触面有相对滑动时，易在钢轨表层形成较薄的擦伤层，在轮轨接触应力重复作用下，部分擦伤层会碎裂脱落。3 种情况其本质都是轮轨接触面相对摩擦产生高温，同时高的接触应力能够降低材料的相变温度，促进相变的发生，强烈的塑性变形起到细化晶粒的作用，最终导致轨头顶面金属组织产生相变，由珠光体组织转变成硬而脆的白层［9］。

根据两种擦伤情况分析可知:在铺设过程中断裂钢轨的擦伤应该在吊装、运输、焊接、铺设等前期过程中产生;而铺设使用后产生裂纹的钢轨经调查后发现，铺设后2 万t 列车在此处启动，应由机车车轮擦伤所致。

图7 钢轨其他位置组织Fig.7 Microstructure of rail

3 结论

1)钢轨踏面存在不同程度的擦伤，导致产生白层及其回火组织，裂纹起源于白层，并向基体扩展，最终导致钢轨铺设时的断裂和踏面出现早期横向裂纹。

2)此种钢轨擦伤后容易断裂，建议在吊装、运输、焊接、铺设等过程中应严格按有关操作程序作业，避免擦伤，同时加强铁路线路钢轨巡查，如有擦伤应尽快打磨或更换钢轨。

［1］周清跃，张建峰，郭战伟，等.重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究［J］.中国铁道科学，2010，31(1):27-31.

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［3］董志洪.高技术铁路与钢轨［M］.北京:冶金工业出版社，2003:68-72.

［4］习年生，李晓宇，王卫东.大秦铁路钢轨轨角型核伤的扩展与安全评估［J］.失效分析与预防，2011，6(1):15-18.

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［8］Baumann G，Knothe K，Fecht H.Surface modification，corrugation and nanostructure formation of high speed railway tracks［J］.Nanostructured Materials，1997，9(1):751-754.

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