羅虞霞，張志偉，郭吉安，鄭 峰

(1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083;2.廣州鐵路(集團)公司，廣東 廣州 510088)

我國鐵路鋼軌的使用壽命大約只有5年，而設計使用年限為10年;相反，國外鋼軌的設計使用年限約為30年，實際使用年限可以達到40～50年，機械和疲勞傷損被界定為影響鋼軌壽命的重要因素。而美國Robles［1］等的研究指出，鋼軌基面(鋼軌與底面墊板接觸面)在濕潤的空氣、鹽離子和雜散電流存在時會發(fā)生嚴重的腐蝕，使鋼軌壽命迅速縮短至一年甚至以下。我國在上世紀末開始了隧道內鋼軌腐蝕的研究，有關研究表明［2－3］，耐候鋼(鋼軌用鋼)在濕度大的隧道、工業(yè)污染區(qū)以及海洋環(huán)境等條件下的耐蝕性不夠理想，需對鋼軌進行防腐保護，但沒有提出相應的鋼軌機理分析，之后對鋼軌傷損的研究也僅局限于對機械與疲勞作用分析［4－5］，沒有考慮電化學腐蝕(雨水、大氣污染和雜散電流等因素)對鋼軌傷損的影響。據美國宇航局2010年9月21日發(fā)布的全球空氣質量地圖顯示，我國空氣中各種懸浮顆粒的總量是國外大部分國家和地區(qū)的十多倍，鋼軌的大氣腐蝕程度也相應加重，這與我國鋼軌使用壽命只有國外同類產品的十分之一的現(xiàn)象相吻合。可見，除了隧道工段鋼軌腐蝕現(xiàn)象比較突出外，一般工段的鋼軌腐蝕現(xiàn)象也已上升成為影響鋼軌壽命的重要因素。

另外，隨著我國汽車使用數(shù)量的與日俱增，大氣污染有更加惡化的趨勢?？梢酝茢?，今后我國包括鋼軌在內的所有鋼鐵制品的腐蝕現(xiàn)象將變得越來越嚴重。大氣腐蝕已經成為影響鋼軌服役壽命的重要因素，急需開展鋼軌的大氣腐蝕機理研究，以便能提供高效低成本的養(yǎng)護方法。

為了解鋼軌的腐蝕損傷情況，作者對廣鐵集團管內正在服役和已經下線的鋼軌進行隨機采樣，對樣品進行傷損程度計算和硬度測量，分析樣品的腐蝕產物并觀察其顯微組織形貌，對鋼軌的腐蝕因素進行分析并探討鋼軌的腐蝕機理。

1 廣鐵管內鋼軌腐蝕傷損分析

1.1 腐蝕傷損速率計算

取大瑤山和株洲北站鋼軌樣品共4組，根據其損耗情況(按殘余軌高)，用公式(1)來計算其(腐蝕)傷1損速率，并按進行數(shù)學處理。

其中:Δh為軌高變化(mm);t為鋼軌的使用年限(a);rcorr為(腐蝕)傷損速率(μm/y)。

計算大瑤山和株洲北站鋼軌樣品的腐蝕傷損速率，結果如表1所示。

表1 大瑤山隧道和株洲北站退役下線鋼軌(隨機取樣)的腐蝕速率Table 1 Corrosion rates of rail samples from Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station

對比表1列出的數(shù)據可知，大瑤山隧道和株洲北站的鋼軌腐蝕十分嚴重，比國內外鋼鐵制品的大氣腐蝕速率高出許多倍(一般鋼鐵制品的大氣腐蝕速率約為10～20 μm/y)。除了株洲北站某處60 kg/m的樣品(可能是因為形成比較穩(wěn)定的Fe3O4保護層，且保護層未被破壞)腐蝕速率較小(7～10 μm/y)之外，其他樣品的腐蝕速率均高于200 μm/y，嚴重區(qū)域甚至超過 1100 μm/y。

1.2 硬度檢測

以圖1所示的橫截面分別取大瑤山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下線鋼軌(服役時間5～10年)10 mm厚，切割為8個部分，進行拋磨處理。采用HBRVU－187.5型布洛維光學硬度計對樣品橫截面邊緣(主要受力接觸層和環(huán)境暴露面)進行硬度測量。在每個部分取10個測量點，計算各部分的維氏硬度變化平均值d。

圖1 鋼軌橫截面示意圖Fig.1 Schematic drawing of rail’s cross section

測量大瑤山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下線鋼軌樣品(主要受力接觸層和環(huán)境暴露面)硬度，結果如圖2所示。

圖2 鋼軌樣品橫截面邊緣及中心硬度值變化圖Fig.2 Hardness changes of 60 kg/m PD3 rail samples(Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station)

如圖2所示，退役下線鋼軌樣品的硬度值比出廠標準(PD3鋼軌的標準HRC為34～38)下降40%以上，降幅十分明顯。除基面硬度值相對較高外，邊緣(2，6處)的硬度值都較低，最大降幅接近50%。由此可知，腐蝕損傷的鋼軌力學性能明顯下降。

1.3 XRD 物相分析

取株洲北站軌面邊緣、軌腰和軌底以及大瑤山隧道軌腰腐蝕產物進行XRD物相檢測。

通過對廣鐵集團管內鋼軌樣品不同部位的腐蝕產物進行XRD物相分析可知，4組鐵銹樣品均含有成分相近的鐵銹產物、粘土(SiO2)以及少量硅酸鐵和磷酸鐵化合物(未標出)。其中大瑤山隧道和株洲北站兩地的軌腰鐵銹樣品都含F(xiàn)e8(OOH)16Cl1.3，γ －Fe(OOH)、β － Fe(OOH)以及 Fe3O4等 4種腐蝕產物;株洲北站軌底鐵銹樣品只有單一的Fe3O4腐蝕產物，軌面邊緣樣品含有γ－Fe(OOH)和Fe3O4腐蝕產物。將鋼軌腐蝕產物的XRD結果疊加，如圖3所示。

株洲北站和大瑤山隧道軌腰鐵銹樣品中均含有 β －Fe(OOH)和 Fe8(OOH)16Cl1.3，說明電化學腐蝕反應中有Cl－參與，因為只有在F－或Cl－存在的條件下才會形成β－Fe(OOH)。株洲北站一樣品鋼軌軌底鐵銹腐蝕產物單一，幾乎全是Fe3O4(在鐵的氧化產物中，F(xiàn)e3O4最穩(wěn)定，能對鋼軌起到保護作用)，可能是因為含有腐蝕性成分的雨水無法抵達底部，或者是其地段較高，能夠保持底部干燥。發(fā)生在株洲北站鋼軌軌面邊緣的鐵銹是由于應力損傷后破裂(剝離)，繼而發(fā)生電化學腐蝕，是應力腐蝕和大氣腐蝕共同作用的產物。株洲北站鋼軌軌面邊緣的鐵銹沒有軌腰的嚴重，也是因為軌面比軌腰容易干燥的緣故。另外，幾處腐蝕產物中都出現(xiàn)SiO2，這是由于周邊的泥土飛濺到鋼軌上面與鐵銹混合在一起所導致。

圖3 鋼軌腐蝕產物的XRD樣品疊加圖Fig.3 XRD spectrum of corrosion products

1.4 SEM 形貌觀察

采用FEI.QUANTA.200型環(huán)境掃描電鏡對株洲北站軌面邊緣和軌底以及大瑤山軌腰腐蝕產物進行表面形貌觀測。圖4、圖5和圖6分別為株洲北站鋼軌軌面邊緣薄狀鐵銹片、軌底銹塊和大瑤山隧道軌腰銹塊的顯微形貌。

圖4 軌面邊緣銹片形貌(株洲北站)Fig.4 SEM images of corrosion products(at edge of samples from Zhuzhou North Station)

圖6 軌腰銹片形貌(大瑤山隧道)Fig.6 SEM images of corrosion products(at waist of samples from Dayaoshan Tunnel)

株洲軌面邊緣銹片腐蝕產物是以砂粒狀的γ－Fe2O3.H2O(見圖4(a))為基體，從中長出網絡狀(見圖4(c))的γ－Fe(OOH)。

株洲軌底銹片腐蝕產物放大2000倍的γ－Fe2O3.H2O形貌特征如圖5(a)所示，放大10000倍后可以看到不規(guī)則的交疊薄片狀α－Fe(OOH)(見圖5(b))，可能是少量的β－Fe(OOH)轉化而來。

大瑤山隧道軌腰銹片腐蝕產物整體較均勻，有部分束集現(xiàn)象，放大5000倍后可觀察到呈交疊薄片狀束集的α－FeOOH(見圖6(a));放大10000倍后可見細條或薄片狀平面生長特征的β－Fe(OOH)(見圖6(b))。

對比圖4～6發(fā)現(xiàn)，腐蝕產物α－FeOOH，β－Fe(OOH)，γ －FeOOH 與 γ －Fe2O3.H2O 的微觀形貌特征是和樣品的采集地點與部位有關。不僅不同地區(qū)與不同部位的腐蝕產物種類存在差別，就是相同腐蝕產物也存在微觀形貌差異。

1.5 廣鐵管內腐蝕傷損情況

目前，我國服役鋼軌損傷主要以機械損傷為主。鋼軌在列車運行過程中所產生的各種交變應力作用下，會發(fā)生接觸疲勞損傷，產生疲勞輝紋(魚鱗紋)、變形、壓潰、剝離、掉塊甚至斷裂［6］。部分鋼軌軌腰、基面以及配件發(fā)生了均勻的腐蝕，出現(xiàn)了較致密的氧化物層;另外，一些機械疲勞損傷的鋼軌也發(fā)生了腐蝕。如圖7所示，分別是株洲工段鋼軌剝離和懷化工段鋼軌壓潰處發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。其中圖7(a)的傷損是因表面裂紋引發(fā)的，腐蝕介質由此介入滋生電化學反應，腐蝕產物導致鋼軌力學性能下降，在機車機械應力的作用下，裂紋擴大并開始剝落，進而導致鋼軌不斷傷損;圖7(b)是機械變形引發(fā)的電化學反應，鋼軌在機械載荷的強烈沖擊下發(fā)生變形，再次機械作用導致性能下降處發(fā)生壓潰，破潰處Fe充分接觸環(huán)境中的腐蝕介質從而引發(fā)快速的電化學腐蝕反應。此外，廣鐵集團許多新購進的鋼軌(包括武鋼U75V，攀鋼U75V和U71Mn)在儲存過程中就發(fā)生了不同程度的腐蝕現(xiàn)象。

圖7 鋼軌機械損傷處腐蝕現(xiàn)象Fig.7 Rail corrosion at mechanical failures

2 鋼軌的腐蝕機理探討

根據腐蝕樣品的分析研究結果可知，除了機械傷損，鋼軌還發(fā)生了局部電化學腐蝕。除了自身化學成分、顯微組織與加工過程的影響外，鋼軌長期暴露在大氣中，其腐蝕過程還受到各種環(huán)境因素的影響，導致其腐蝕機理十分復雜。過去的研究表明，潮濕的空氣、降雨、污染氣體、溫度溫差等因素將導致暴露在空氣中的鋼鐵制品(包括鋼軌)發(fā)生大氣腐蝕。同時，鋼軌的電化學腐蝕還會在雜散電流(由信號電流傳輸引起)影響下加速進行［3］。此外，由于機械和疲勞作用對鋼軌造成的傷損(裂紋、壓潰、掉塊、剝離等)，鋼軌基面能夠充分接觸腐蝕介質，從而增加發(fā)生電化學反應的機會。

分析整理廣鐵管內氣侯和大氣腐蝕數(shù)據發(fā)現(xiàn)，當?shù)氐目諝獬睗?、溫度溫差大、降雨豐富、污染嚴重，這些都為鋼軌的大氣腐蝕提供了充分的物質條件。

2.1 濕度與溫度

株洲市與懷化市是全國空氣濕度較大的城市。株洲夏季空氣濕度在60% ～80%左右;懷化夏季空氣濕度在55% ～75%左右;而大瑤山地區(qū)年均空氣濕度在83%左右，均達到了鋼鐵的腐蝕臨界濕度值(60%)。同時，空氣溫度會影響鋼軌表面水蒸氣的凝聚、水膜中各種腐蝕氣體和鹽類的溶解度、水膜電阻以及電化學反應速度。由于廣鐵管內空氣相對濕度達到鋼軌腐蝕的臨界相對濕度，因此溫度的影響十分明顯。溫差的影響表現(xiàn)在金屬表面上的凝露作用。在長沙和株洲地區(qū)，因其晝夜溫差大(15℃左右)，所以只要相對濕度達到35%左右就能產生凝露現(xiàn)象，因而鋼軌的腐蝕現(xiàn)象十分嚴重。

2.2 降雨

廣東、湖南均處于全國降雨量最大的區(qū)域之中。降雨以2種截然不同的方式影響鋼軌的大氣腐蝕。一方面由于降雨增大了大氣中的相對濕度，延長了鋼軌表面的潤濕時間;與此同時，雨水沖刷破壞了腐蝕產物的致密性和保護性，這些都會加速鋼軌的大氣腐蝕過程。但另一方面，降雨能夠沖洗掉鋼軌表面的污染物和灰塵，減小液膜的腐蝕性，從而減緩腐蝕過程。

2.3 空氣污染

根據實驗中物相分析的結果可知，鋼軌的腐蝕產物中出現(xiàn)了Cl－，說明鋼軌的腐蝕反應中有大氣污染物的參與。通過對株洲市、懷化市和大瑤山和長沙市一段時間降水與降霧的數(shù)據分析發(fā)現(xiàn)，長沙市、株洲市、懷化市和大瑤山地區(qū)呈現(xiàn)比較突出的大氣污染。其中，1986～1999年長沙市、株洲市和懷化市的年均pH值均低于5，且酸雨頻率均高于60%［7］;1999年株洲市、懷化市和大瑤山地區(qū)降水的 pH 值均小于4.8，且SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和 Cl－等離子的濃度相對偏高［8－9］。

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，與降水一樣能影響鋼軌表面電解液膜的狀態(tài)和空氣相對濕度，大瑤山濃霧發(fā)生頻率非常高，霧季平均達42.8%。霧水中含的化學物質也影響金屬電化學腐蝕反應，大瑤山酸霧頻率高達51%，霧水中SO42－，NH4+，Ca2+離子濃度較高［10］。

酸雨和酸霧降低了電解液膜的pH值;降水和霧水中較高濃度的SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和Cl－等強電解質會增加電解液膜的導電性，形成污染固體后增加腐蝕源;Cl－會破壞鋼軌表面的鈍化膜;而NaCl和硫酸鹽的吸濕性強，能降低臨界相對濕度，所有這些因素都會增加包括鋼軌及其配件在內的所有鋼鐵制品的電化學腐蝕反應幾率，提高反應速率［11］。

2.4 雜散電流

直流鐵路系統(tǒng)電流的泄漏是運行鋼軌作為力學支撐以及牽引電流循環(huán)回路不可避免的結果。由于鋼軌的縱向電阻或者串聯(lián)電阻有限(大約為40～80 mΩ/km 或者40～80 μΩ/m)，與土壤絕緣性差(典型的是2～100 Ω/km)，一部分流回鋼軌的牽引電流泄漏到土壤里，并在返回鋼軌直流整流器負極終端前，在鋼軌的平行電路中流動(直接通過土壤或者通過埋在地下的導體)，使得鋼軌和地下埋藏金屬物發(fā)生電化學反應，產生電化學電流，進一步加速鋼軌底基面電化學腐蝕反應速率［1］。

所有這些環(huán)境腐蝕因素綜合作用于鋼軌上，不同程度地參與鋼軌的電化學反應，形成了以機械損傷為主要腐蝕源，一種或多種腐蝕介質引發(fā)鋼軌電化學反應，其他腐蝕介質疊加影響(加快電化學反應速度)，從而進一步降低鋼軌力學性能，加劇機械損傷的腐蝕機理，鋼軌的腐蝕機理如圖8所示。

圖8 鋼軌腐蝕機理示意圖Fig.8 Schematic drawing of mechanism for rail corrosion

3 結論

(1)廣鐵管內株洲、大瑤山和懷化等工段存在明顯的鋼軌腐蝕現(xiàn)象，鋼軌腐蝕使其力學性能下降，引發(fā)更多電化學腐蝕源。

(2)腐蝕現(xiàn)象有軌腰和軌底的均勻腐蝕，更主要的是伴隨著機械和疲勞損傷出現(xiàn)局部壓潰、裂紋擴張、局部發(fā)生快速電化學腐蝕等。潮濕的空氣、溫度溫差、降雨、大氣污染以及雜散電流等環(huán)境因素綜合作用于鋼軌，直接導致并加劇電化學腐蝕反應。

(3)隨著鐵路運輸能力(速度和運輸總重)的不斷升級，客貨分流的區(qū)域和里程越來越多，導致鋼軌腐蝕的原因將更為明確;鋼軌(特別是客運線鋼軌)的大氣腐蝕伴隨我國大氣污染情況的加劇更加突出，使其上升成為導致鋼軌傷損的主要因素。

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