某高速铁路钢轨断裂失效分析

(鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009)

0 前言

钢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。

图1 重轨断裂面宏观形貌

图2 重轨断裂面微观形貌

图3 裂纹源处沿晶断裂形貌

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]。

表1 钢轨化学成分(质量分数，%)

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。

图4 轨底三角区孔洞缺陷以及大颗粒夹杂

图5 轨底三角区裂纹沿晶界扩展

图6 焊接组织形貌

图7 基体组织形貌

图8 裂纹源处组织形貌

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SiO2-MnO，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Al2O3-MgO-SiO2-CaO氧化物夹杂以及条状MnS夹杂，如图10～图12所示。

图9 焊缝中夹杂物的SEM形貌和成分的能谱分析

图10 基体夹杂物1的SEM形貌和成分的能谱分析

图11 基体夹杂物2的SEM形貌和成分的能谱分析

图12 焊缝中夹杂物的SEM形貌和成分的能谱分析

3 失效原因分析

U71MnG热轧钢轨采用闪光焊对接技术[6]，闪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SiO2-MnO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SiO2-MnO硅酸盐夹杂后，孔洞未被液态金属充满，在未形成SiO2-MnO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SiO2-MnO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SiO2-MnO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。