某高速铁路钢轨断裂失效分析

王婷　李文竹　杨静　周敬　欧阳鑫

摘要： 某高速铁路采用U71MnG热轧钢轨，在常规质量检查时发现钢轨断裂。文中运用金相显微镜及扫描电子显微镜等手段对钢轨断口的宏微观形貌、断裂处材料的显微组织和夹杂物成分进行了观察和分析，从无缝焊接等工艺角度查找钢轨断裂失效的原因。结果表明，钢轨采用闪光焊对接工艺过程中，由于顶锻距离和顶锻力控制不当，使焊接末期产生的SiO2MnO硅酸盐夹杂及孔洞未被挤出而留在焊缝中形成裂纹萌生的核心，未被挤出的液态金属释放热量降低了焊缝及热影响区的冷却速度，导致焊缝周围先析铁素体以网状形式大量析出，网状铁素体降低了材料的强韧性，成为裂纹快速扩展的通道。钢轨在使用中受到来自列车行驶过程中所施加的交变应力和自身重力作用下，容易在焊缝中形状不规则的硅酸盐夹杂物尖端和孔洞造成应力集中，诱发微裂纹的产生。在交变应力持续作用下，微裂纹在晶界遭受弱化且强韧性降低的焊缝中进行沿晶快速扩展，最终导致钢轨发生断裂。

关键词： 断裂; 夹杂; 沿晶

中图分类号： TG 441.7

Abstract： U71MnG hotrolled rail was used in a highspeed railway， rail fracture was found in routine quality inspection. In this paper， the macromicro morphology， microstructure and inclusion composition of fracture material were analyzed by means of metallurgical microscope and scanning electron microscope， and the failure cause of rail fracture was found out from the perspective of seamless welding and other processes. The results showed that the SiO2MnO silicate inclusions and holes produced at the end of welding were not extruded and forced to remain in the weld to form the core of crack initiation due to the improper control of upset distance and upset force in the butt welding process of flash welding. The heat released by the unextruded liquid metal reduced the cooling rate of the weld and the heataffected zone， leading to a large amount of ferritic precipitation in the form of network around the weld. The network ferrite reduced the strength and toughness of the material and became a channel for the rapid crack propagation. The rail was affected by the alternating stress and gravity exerted by the train during its running， the irregular shape of the silicate inclusion tip and the holes in the weld tended to cause stress concentration and induced the generation of microcracks. Under the continuous action of alternating stress， the microcracks propagated rapidly along the grain boundary in the weld where the grain boundary was weakened and the strength and toughness were reduced， and finally the rail fracture occurred.

Key words： fracture; inclusion; intergranular

0 前言

鋼轨质量好坏直接影响钢轨行车安全和使用性能[1]。目前，国时速200 km/h以上客运专线铁路通常采用国产U71MnG热轧钢轨[2-3]，含碳量较低，低温韧性较好。相比普通线路，客运专线对钢轨的安全性具有极为苛刻的要求，钢轨不仅要求承受列车高速运行所带来的冲击载荷和机车自身重力，还需要具有足够的强度、硬度、韧性以及良好的焊接性能。无缝线路因其具有高可靠稳定性，成为高速轨道结构的最优选择，而闪光焊则是无缝钢轨生产的常用方法[4]。

某高速铁路采用U71MnG钢轨，投入使用1天后，在常规质量检查时发现钢轨断裂。因此，通过分析钢轨断裂成因，可有效预防此类事故发生，避免造成巨大损失，具有十分重要的研究意义。

文中通过金相显微镜和扫描电子显微镜等检测手段对失效钢轨及其断口进行分析，查找钢轨发生断裂的失效原因。

1 检测分析方法

采用LEICA DMI5000M光学显微镜观察其组织形貌;采用SUPRA 55场发射扫描电镜观察断口形貌、OXFORD能谱仪分析夹杂物成分;化学成分采用化学粉末法进行分析。

2 检测结果分析

2.1 断口宏观观察

图1和图2为重轨断裂面形貌，断裂区域位于钢轨焊接接头。钢轨断口宏观形貌如图1所示，

钢轨断口平坦，无剪切唇，无塑性变形，钢轨柄部断口有明显的人字纹花样，其放射方向为裂纹扩展方向，断裂主要从钢轨轨底三角区中心起裂。取钢轨轨底三角区样品置于SUPRA 55场发射扫描电镜下观察，可见断裂源位于轨底表面、半月形中心位置，如图2所示。在平坦的断口表面有一个小口，小口处有冰糖花样及准解理花样，如图3所示，小口处及扩展区（A区）均观察到局部光滑区域，裂纹源以外区域断口形貌为解理河流花样，判定钢轨为脆性断裂。

2.2 化学成分分析

对钢轨的化学成分进行分析，结果见表1。可见其化学成分满足TB/T 2344—2012《43～75 kg/m钢轨订货技术条件》的要求[5]。

2.3 金相检验

对轨底取样进行磨制、抛光后观察，可见近断口表面可见较多的二次裂纹、孔洞缺陷以及大颗粒夹杂，如图4所示，断裂源附近的孔洞缺陷数量较多，尺寸较大。抛光试样经4%HNO3酒精溶液腐蚀后观察，裂纹有沿晶扩展特征，如图5所示。焊缝显微组织为网状铁素体+珠光体，如图6所示，网状铁素体+珠光体组织形成一条白亮的条带，除白亮带以外显微组织为索氏体+珠光体+极少量铁素体，如图7所示。因此，从图8所示可以进一步判断裂纹源位于焊缝。

2.4能谱分析

失效试样在焊缝处存在大量的孔洞及大颗粒夹杂物，能谱分析大颗粒夹杂物为SiO2MnO，Mn元素含量约为47.85%，Si含量约为20.7%，这种夹杂物成分与钢轨基体中的夹杂物不同，如图9所示。钢轨基体夹杂物为Al2O3MgOSiO2CaO氧化物夹杂以及条状MnS夹杂，如图10～图12所示。

3 失效原因分析

U71MnG热轧钢轨采用闪光焊对接技术[6]，閃光焊具体流程为闪平、预热、烧化、带电顶锻、无电顶锻、保压及推瘤。在钢轨成批进行闪光焊对接焊合过程中设备状态波动、顶锻距离及顶锻力控制不当会造成个别焊缝出现缺陷[7]。焊合后，焊接接头显微组织一般为铁素体+珠光体[8]。而失效钢轨焊缝组织为珠光体+网状铁素体。失效钢轨含碳量约0.7%，属于低碳钢，经缓慢冷却先共析铁素体成网状分布。网状铁素体的形成会降低材料的强韧性，并在开裂过程中成为裂纹易于扩展的通道，网状铁素体沿晶界形成，故在钢轨的断口上呈现出冰糖花样的沿晶断裂微观形貌，如图3所示。

在钢轨对接焊接过程中，在焊接末期，若加速闪光阶段末速过大，会发生过梁爆破[9]。钢轨的熔点为1 495 ℃，高温液态金属冲破保护气氛，保护气氛含有的O和CO等气体会进入液态金属中，在焊缝处形成孔洞。Mn，Si元素与O的亲和力优于Fe元素，液态金属中的Mn，Si元素在孔洞内发生氧化形成SiO2MnO硅酸盐夹杂。由于顶锻距离和顶锻力不足，形成的硅酸盐夹杂未被挤出而被迫留在焊缝中[10]，夹杂物形状不规则，分散的硅酸盐类非金属夹杂物，脆性大、韧性差，割裂了焊缝基体组织的连续性，如图9所示。有些孔洞在其内部氧化形成SiO2MnO硅酸盐夹杂后，孔洞未被液态金属充满，在未形成SiO2MnO硅酸盐夹杂区域冷却后形成自由金属面，如图10所示。在闪光焊过程中，焊缝温度达到金属熔点1 495 ℃以上，由于顶锻距离和顶锻力控制不当，液态金属未被完全挤出，未被挤出的液态金属在凝固过程中释放大量热量间接降低了焊缝的冷却速度，同时热影响区内金属温度也达到奥氏体化温度，焊缝及热影响区经缓慢冷却后，导致先析铁素体以网状形式大量析出。钢轨在使用中受到来自列车行驶过程中所施加的交变应力作用以及机车自身的重力，不规则形状的SiO2MnO硅酸盐夹杂物尖端和孔洞在受到复杂应力时发生应力集中，容易诱发微裂纹的萌生，在交变应力作用下进一步扩展。焊缝显微组织中的网状铁素体和薄弱的晶界成为裂纹易于快速扩展的通道，导致裂纹沿晶界扩展。断口内微观形貌所呈现的冰糖花样状特征充分说明了裂纹扩展的沿晶性特征。此外，焊缝网状铁素体组织宽度约500 μm，在网状铁素体组织范围内断裂形貌具有典型的沿晶特征，而在超出网状铁素体组织范围，钢轨进行快速失稳扩展渐变为穿晶断裂，最终导致钢轨发生断裂。

4 结论

（1）焊缝处存在不规则形貌的SiO2MnO硅酸盐夹杂物及孔洞，钢轨受列车行驶过程中交变应力及自身重力作用，在夹杂物尖端和孔洞造成应力集中，诱发微裂纹，在受复杂应力持续作用下，裂纹进一步扩展，导致重轨断裂。

（2）焊缝组织存在网状铁素体，降低材料强韧性，弱化晶界，对重轨断裂起到了关键作用。

参考文献

[1] 任安超， 吉玉， 周桂峰， 等.客运专线用100 m钢轨矫直断裂原因分析[J].钢铁，2011，46（1）：92-96.

[2] 周韶博，张银花，张关震，等.高速车轮材料与U71MnG钢轨材料的摩擦磨损试验[J].铁道建筑，2017，57（9）：128-131.

[3] 周清跃，张银华，陈朝阳，等. 我国铁路钢轨钢的研究及选用[J].中国铁路，2011，（11）：47-51.

[4] 车军，郑韶先，苏程.国内钢轨焊接的现状及发展趋势[J].焊接，2011，（10）：33-35.

[5] 中华人民共和国铁道部. 43 kg/m～75 kg/m钢轨订货技术条件： TB/T 2344—2012 [J]. 北京： 中国铁道出版社， 2012.

[6] 朱志明，范开果，潘际銮. 高速铁路钢轨焊接技术的发展与应用[J].焊接， 2013（5）： 5-10.

[7] 黄治军，易卫东，韩荣东，等.钢轨闪光焊过烧缺陷识别与消除[J].电焊机，2018，48（8）：84-87.

[8] Rasanen AN， Martikainen J. Experimental review of metallurgical flash weld defects in welded joints：essence of flat spots，penetrators and oxide inclusions[J].Science and Technology of Welding and Joining，2011，16（6）：471-476.

[9] Bauer S. Defects in and features of flashbutt welded joints[J]. Welding International， 1988， 2（9）：836-841.

[10] 丁韦，李力，王莹莹，等. 钢轨中的夹杂物对闪光焊接头力学性能的影响[J].焊接技术，2018，47（9）：119-122.