解析钢轨矫直断裂原因

梁伟

摘要：随着我国建设社会主义现代化进程的不断加快，经济水平得到显著提升，这其中交通运输发挥了不可磨灭的作用，尤以铁路运输线最为重要。铁路运输线路的安全可靠为经济的飞速发展奠定了坚实的基础，质量上乘、性能稳定的优质钢为铁路线路的发展发挥了重要作用。但钢轨在矫直过程中由于各种各样的原因发生断裂情况，为钢轨的加工冶炼提出了技术难题，使铁路事业的发展面临新的挑战。本文以贝氏体钢轨、道岔轨和异型钢轨为例，解析钢轨在矫直过程中发生断裂的原因。

关键词：鋼轨;矫直断裂;原因

随着世界经济的高速发展与融合，交通在得到大发展的同时也在面临着新挑战，在二十一世纪解决交通问题最有效的方式还是大力发展铁路运输，尤其是高铁和地铁，铁路线具有高效率、高速度、大容量、安全性、舒适性等无可替代的优势。但铁路事业发展也存在着诸多问题，矫直断裂便是其中之一，本文以贝氏体钢轨、道岔轨、异型钢轨为例着重分析其断裂原因，为钢轨加工工艺提供发展新空间。

1.晶间脆性导致脆性断裂

钢轨的断裂处通常较为平坦，没有凹凸起伏，断面放射线明显，放射纹路起源于轨头的不同位置，断口附近没有异常塑性变形，属于脆性断裂断口[1]。科技和经济的不断发展，对铁路运输速度提出了新要求，同时对高强度钢轨的需求也日益增加，贝氏体钢轨的高强度、高韧性和高抗拉强度是适应当前铁路发展的不二之选 。但贝氏体钢轨在矫直过程中发生断裂现象，通过观察实验发现其断裂原因为脆性断裂。

1.1 检验分析

采用电子显微镜扫描断口观察可知，断口附近含有大量复合夹杂物，断裂口附近呈沿晶特征，且断面处存在大量二次沿晶裂纹痕迹。通过金相检测可以看出，贝氏体钢轨断面裂纹处均为马氏体和贝氏体，还有大量沿晶裂纹，而远离裂纹处显微组织则为少量贝氏体和马氏体。

1.2 综合分析

钢轨矫直过程中发生多处断裂，通过微观分析和金相检测可以看出断裂原因起源于轨头部位的脆性断裂，显微镜观察可知断裂形式为沿晶脆性断裂。金相检测得出断裂处的显微组织中含有大量针状马氏体，导致断裂部位硬度高于其他部位，说明钢轨轨头断裂处存在大量马氏体的晶间脆性是导致断裂的最主要原因。综上所述，由于钢轨轨头马氏体晶间脆性的作用，导致钢轨在矫直时，从脆性集中部位的夹杂物处开始断裂，裂纹沿脆性晶界扩散最终导致断裂。

1.3 结论与建议

分析可知，大量马氏体夹杂物集中的晶间脆性是导致断裂的主要原因，当钢轨收到外力作用时，就会产生裂纹，断裂由裂纹始逐渐扩展形成钢轨脆性断裂。为避免钢轨的这种断裂形式，可以从提高钢的纯净度和冶炼工艺入手，根据钢材的尺寸和环境温度调整冷却工艺。

2.热工艺不当导致氧化断裂

热加工工艺的不成熟是导致钢轨矫直过程中断裂的一大因素。以道岔轨为例，具体分析热加工不当使得钢轨部分部位氧化严重最终导致钢轨断裂。

2.1 检验分析

通过观察钢轨断裂面形貌可知：断裂口附近出现分层和裂缝，断口处显微组织晶粒粗大，分层处表面比较粗糙，呈朽木状。金相检测得出断口周围有脱碳，断口表面覆盖较厚的氧化膜[2]，经过化学成分分析可知其主要化学成分为氧化铁。

2.2 综合分析

从检验结果分析得出，矫直断裂断口处表面覆盖较厚的氧化膜，其断裂形貌呈朽木状，断口晶粒粗大，氧化严重，裂纹周围有明显的脱碳现象，种种分析结果表明断裂原因与加热温度相关。以道岔轨为例，加热工艺大多采用感应加热，用3到4分钟的时间将钢轨从850摄氏度加热到1210摄氏度，由于加热时间过短而升温速度要求高，必然导致钢轨表面氧化，钢轨内部温度偏低的情况发生。因此，在矫直过程中出现断裂，断口处分层，晶体粗大等现象。

2.3 结论与建议

加热工艺不当是导致钢轨矫直断裂的原因之一，钢轨内外部受热不均匀，导致部分氧化严重，在外力作用下，容易产生断裂。建议在冶炼钢轨时，根据不同种类的钢种采取不同的加热工艺，降低钢轨断裂可能性，增加生产优质钢材的概率，为社会主义现代化建设添砖加瓦。

3.轨腰次表层缺陷导致断裂

钢轨加热过程中，加热温度过高，轨腰表层部分区域发生沿晶氧化现象，在矫直过程中，由于轨腰表层受拉应力作用，沿晶氧化部位容易产生裂纹，随之的矫直过程中，轨腰三点弯曲受力，裂纹处集中受力致使裂纹扩展，最终导致钢轨断裂[3]。

3.1 检验分析

以异型钢为例，观察断口形貌，断口锈蚀严重且分为两个部分：原始缺陷部分和重新起裂扩展部分，电镜分析得出断口处没有明显夹杂物出现。金相检测结果表明，裂纹裂缝中有大量呈网状分布的氧化铁等氧化物，且周围存在较多珠光体组织，裂纹有沿晶特征。

3.2 综合分析

由断口锈蚀严重可知裂纹起源于钢轨轨腰一侧表层，后逐渐向轨腰里侧横向扩展，最终导致断裂。轨腰表层的原始缺陷处和次表层的断裂处都没有聚集物，可知断裂与冶炼质量无关，导致其断裂的直接原因是矫直前轨腰次表层缺陷。矫直前的轨腰次表层已经有缺陷，在矫直过程中轨腰三点受力导致缺陷处集中受力，产生裂纹并扩展成钢轨断裂。裂纹处有沿晶特征且出现氧化物，说明原始缺陷是由于加热温度过高，导致过高沿晶氧化，造成晶间结合力降低，在矫直中产生断裂。

3.3 结论与建议

轨腰次表层微裂缺陷使得在矫直时钢轨三点集中受力，微裂扩展导致钢轨断裂。建议在冶炼钢轨时，着重提高冶炼技术，控制好加热温度，降低钢轨轨腰缺陷出现的可能性，提高钢轨韧性和可抗拉能力，锻造优质钢轨，为铁路的发展提供先机。

4.结语

世界铁路的发展在本世纪迈入一个新的纪元，具有高技术的铁路运输在全球受到愈来愈高的追捧，以日本新干线列车为代表的新型客车和重载列车的问世，向世人展示了高科技现代化铁路的迷人风采以及广阔的发展前景。解决好铁路运输面临的问题是促进国家各方面发展的重要契机，其中铁路钢轨作为铁路运输的基础，其质量的好坏决定了铁路运输的先进性，同时，一定程度上适应了国家经济的发展速度。

参考文献：

[1]李淑华.钢轨矫直开裂原因分析[J].北京科学出版社，2012，4（33）：127-135.

[2]付国茹.材料的塑性变形及断裂[M].理化检验物理分册，2010，7（09）：78-83.

[3]陈建军.高强度高韧性钢轨研究[J].中国铁道出版社，2012，7（13）：46-52.