某高速鐵路鋼軌傷損原因分析

1、攀鋼技術(shù)攀鋼技術(shù)23某高速鐵路鋼軌傷損原因分析某高速鐵路鋼軌傷損原因分析鄧建輝，鄧勇（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司）摘要：摘要：針對(duì)某城際高速鐵路出現(xiàn)的軌頭踏面掉塊傷損現(xiàn)象，對(duì)傷損鋼軌進(jìn)行傷損狀態(tài)及化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織分析。結(jié)果表明，鋼軌軌頭踏面的掉塊傷損是由其表層的馬氏體組織造成，而馬氏體組織的產(chǎn)生又是因列車車輪對(duì)鋼軌的嚴(yán)重摩擦所引起。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：鋼軌踏面；傷損；力學(xué)性能；金相組織；馬氏體0引言引言某城際高速鐵路開通運(yùn)營(yíng)僅約半年

2、，使用的U71MnG60kgm熱軋鋼軌在某車站列車進(jìn)站端半徑為R=600m一曲線路段上軌頭踏面沿縱向隨機(jī)出現(xiàn)多處表層掉塊傷損現(xiàn)象，影響線路的正常運(yùn)營(yíng)和行車安全。為研究鋼軌傷損原因，對(duì)傷損鋼軌取樣進(jìn)行分析，在對(duì)鋼軌傷損特征宏觀分析基礎(chǔ)上，對(duì)其化學(xué)成分、拉伸力學(xué)性能和金相組織進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。1理化檢驗(yàn)理化檢驗(yàn)1.1宏觀分析經(jīng)測(cè)量，在鋼軌軌頭踏面沿縱向出現(xiàn)的表層掉塊傷損層深度達(dá)1.0mm左右。仔細(xì)觀察，掉塊具有碎裂特征，掉塊坑有明顯棱角。由此

3、認(rèn)為，鋼軌傷損不是由常見的輪軌接觸應(yīng)力造成的接觸疲勞裂紋所引起，而是別的原因造成。鋼軌傷損形貌特征見圖1。為進(jìn)一步研究鋼軌掉塊傷損原因，按圖2所示部位取樣進(jìn)行相關(guān)理化檢驗(yàn)分析。圖1鋼軌踏面表層掉塊傷損形貌化學(xué)成分樣金相組織、夾雜物取樣圖2檢驗(yàn)分析取樣部位示圖1.2化學(xué)成分分析在圖2所示部位切取鋼軌化學(xué)成分分析樣，結(jié)果見表1。由表1可見，傷損鋼軌的化學(xué)成分符合U71MnG高速鐵路用鋼軌化學(xué)成分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。表1傷損鋼軌化學(xué)成分傷損鋼軌化學(xué)成分

4、%CSiMnPSVAl傷損鋼軌0.710.450.980.0100.0120.0220.002技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.65～0.750.15～0.580.70～1.20≤0.025≤0.025≤0.030≤0.004攀鋼技術(shù)攀鋼技術(shù)25圖7硫化物夾雜形貌2綜合分析綜合分析鋼軌踏面出現(xiàn)具有碎裂特征的大面積掉塊傷損，從理論上分析主要有三個(gè)原因：一是鋼軌存在性能質(zhì)量問題，如出現(xiàn)有過熱、過燒組織；二是存在冶金缺陷，如超標(biāo)準(zhǔn)的較大尺寸非金屬夾渣類物質(zhì)；三是出

5、現(xiàn)有馬氏體等導(dǎo)致鋼軌韌性降低的脆性組織，在外力作用下萌生裂紋產(chǎn)生掉塊。由該傷損鋼軌的理化檢驗(yàn)分析結(jié)果表1～3和圖6～7可見，傷損鋼軌的化學(xué)成分、拉伸性能、金相組織、非金屬夾雜物等技術(shù)指標(biāo)均滿足相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，表明鋼軌的材質(zhì)性能、冶金質(zhì)量正常，鋼軌踏面的掉塊傷損與鋼軌的性能質(zhì)量無直接關(guān)系。從圖3～5的金相組織特征看出，鋼軌踏面掉塊坑棱角分明現(xiàn)象是軌頭踏面表層馬氏體組織脫落所致。并且，其組織由表層的馬氏體直接到基體的片狀珠光體，之間沒有過

6、渡組織貝氏體或索氏體。由此表明，鋼軌表面的馬氏體組織不是因水淬火冷卻形成，而是別的原因。因?yàn)槿绻撬畬?duì)鋼軌面進(jìn)行淬火冷卻形成的馬氏體，從鋼軌面至里層的組織特征應(yīng)該是：馬氏體→貝氏體或索氏體→鋼軌基體珠光體。由于馬氏體和珠光體這兩種組織的硬度差別大，且馬氏體屬硬而脆的組織，在表層的厚度又僅有0.49mm，因此在列車車輪的碾壓作用下馬氏體組織極易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展形成脫落掉塊。由此可以判斷鋼軌踏面產(chǎn)生掉塊傷損的現(xiàn)象是馬氏體組織受到車輪的碾壓

7、所致。由圖5可見，馬氏體組織周圍的鋼軌基體有明顯塑性變形，表明鋼軌踏面受到了嚴(yán)重摩擦，引起軌面瞬間產(chǎn)生高溫，隨即在鋼軌基體的熱傳導(dǎo)作用下快速冷卻，導(dǎo)致軌面摩擦表層產(chǎn)生馬氏體組織。同時(shí)，鋼軌表面馬氏體層厚度僅有0.49mm這一現(xiàn)象也表明馬氏體是因摩擦形成。據(jù)文獻(xiàn)[12]介紹，鋼軌經(jīng)砂輪打磨，在其打磨面產(chǎn)生馬氏體組織，本案與其原理相似。經(jīng)對(duì)傷損鋼軌所處線路進(jìn)一步觀察，傷損出現(xiàn)在曲線下股，對(duì)應(yīng)的曲線上股雖然沒有明顯的掉塊傷損，但踏面仍有擦傷印

8、痕，見圖8，表明鋼軌踏面的擦傷是由列車車輪摩擦所致。曲線上下股鋼軌的擦傷程度不同，分析認(rèn)為是上下股鋼軌的受力不同所致。50μm軌踏面擦傷印痕圖8曲線上股鋼軌擦傷印痕形貌根據(jù)相關(guān)研究，鋼軌在線路上受車輪的擦傷主要有兩種類型，一是列車啟動(dòng)時(shí)車輪打滑產(chǎn)生摩擦，二是列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦[3]。前者造成的鋼軌傷損特征是在踏面呈現(xiàn)橢圓形的擦傷疤，并主要在站內(nèi)線路鋼軌上出現(xiàn)；后者造成的鋼軌傷損特征是在踏面出現(xiàn)沿縱向的長(zhǎng)形擦傷，本案出現(xiàn)的傷損特征與其相似

9、。線路鋼軌的擦傷主要與線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)有關(guān)。文獻(xiàn)[4]介紹，鋼軌擦傷與機(jī)車司機(jī)的操作技術(shù)密切相關(guān)。文獻(xiàn)[5]介紹，曲線上特別是小半徑曲線上鋼軌產(chǎn)生擦傷的原因有：曲線鋼軌的垂直磨耗、側(cè)面磨耗交互影響、復(fù)合作用因素；司機(jī)操作不當(dāng)、途停、運(yùn)緩、頻繁啟動(dòng)；線路維修養(yǎng)護(hù)不良、軌道不平順。本案出現(xiàn)的傷損鋼軌是在列車進(jìn)站端半徑為R=600m的一曲線路段。分析認(rèn)為可能是在列車進(jìn)入曲線路段前，車速過快，采取了緊急制動(dòng)剎車，使車輪嚴(yán)重摩擦鋼軌，導(dǎo)致鋼軌表面產(chǎn)生