高尚君 鄭會(huì)鋒 孫俊杰

摘 要：實(shí)驗(yàn)研究了3種不同成分的貝氏體轍叉鋼的組織、力學(xué)性能及其實(shí)際服役壽命。通過分析3種失效下道后的貝氏體轍叉失效模式與力學(xué)性能的關(guān)系，以及裂紋萌生、擴(kuò)展與組織的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粒狀貝氏體組織，與合理的硬度、機(jī)械性能指標(biāo)相配合，可以提高貝氏體鋼轍叉心軌的上道運(yùn)營壽命。

關(guān)鍵詞：貝氏體鋼;轍叉心軌;失效

0 前言

鐵路轍叉是使火車車輪由一股線路轉(zhuǎn)換到另一股線路的平面交叉設(shè)備。當(dāng)列車通過時(shí)，輪軌與轍叉之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，轍叉心軌尖端會(huì)承受巨大的載荷，日積月累后會(huì)使轍叉產(chǎn)生不同程度的變形和磨損。轍叉變形量過大或磨耗嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致失效，甚至危害行車安全。傳統(tǒng)整鑄式高錳鋼轍叉因初始強(qiáng)度低，使用初期不耐磨，以及鑄件中不可避免存在大量縮孔、疏松、晶粒粗大的現(xiàn)象，導(dǎo)致高錳鋼轍叉整體使用壽命不高，因此，研發(fā)新型轍叉材料成為了必然。

隨著貝氏體相變理論的不斷成熟，國內(nèi)外道岔市場逐步開始采用貝氏體合金鋼來制造固定型轍叉中的心軌和翼軌。從大量的線路觀察分析可知，目前我國鐵路線路上使用的合金鋼轍叉不正常失效形式主要有以下幾種形式：（1）脆性剝落;（2）塑性變形導(dǎo)致“飛邊”;（3）嚴(yán)重磨損;（4）脆性斷裂等[1]。轍叉的合金成分、組織及力學(xué)性能與失效形式的對應(yīng)關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)深入研究，因此，研究貝氏體鋼的成分、組織、力學(xué)性能對失效模式及使用壽命的影響機(jī)制對進(jìn)一步開發(fā)貝氏體轍叉鋼和提升轍叉壽命具有指導(dǎo)意義。

本文選取3種不同成分的貝氏體鋼轍叉進(jìn)行研究。分析了合金成分、組織、力學(xué)性能對失效形式及實(shí)際使用壽命的關(guān)系，分析了裂紋的萌生及擴(kuò)展與組織的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)研究的3種貝氏體轍叉的化學(xué)成分見表1。同時(shí)表1中給出了中國鐵路工程總公司于2017年09月05日發(fā)布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CR595-2017合金鋼組合轍叉，其中規(guī)定的貝氏體鋼牌號分別是U20和U26兩種。通過對比可知，本次取樣分析的轍叉心軌其合金成分并未完全執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。1#心軌在U26鋼號的基礎(chǔ)上取消了鎳，但添加了細(xì)化晶粒的釩元素。2#心軌材料出于降低成本考慮，在U26牌號的基礎(chǔ)上降低了鎳、鉬元素含量。3#心軌材料與U20鋼號相比，添加了細(xì)化晶粒的元素釩。雖然合金成分與標(biāo)準(zhǔn)范圍不完全相同，但均可歸于Si-Mn-Mo系低碳貝氏體鋼。

1.2 熱處理工藝

3種成分的轍叉均采用正火+低溫回火工藝。具體見表2。

1.3 組織及力學(xué)性能分析

力學(xué)性能測試按照Q/CR595-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的取樣位置與檢測方法執(zhí)行。分別在3種不同成分的轍叉上各取3件拉伸試樣和6件U型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣，在擺錘試驗(yàn)機(jī)上測定3種轍叉的室溫和-40℃的沖擊功。硬度測試在洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行測試。在靠近力學(xué)性能測試取樣位置處取金相試樣，將試樣用砂紙磨平后進(jìn)行拋光，將QA-3-4用砂紙磨平后進(jìn)行拋光，再用4%硝酸酒精腐蝕后制成金相試樣，進(jìn)行組織觀察。此外，為了分析轍叉失效形式與組織的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中將失效下道的1#和2#轍叉的心軌進(jìn)行解剖，在失效部位取金相樣以觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展路徑。

1#轍叉失效形式為心軌剝落掉塊（左圖中藍(lán)色虛線框位置），如圖1所示，剝落掉塊前萌生的原始裂紋已經(jīng)不存在了，無法直接觀察分析。試驗(yàn)中只能通過對剝落掉塊處仍存在的裂紋進(jìn)行觀察，分析裂紋的萌生及其擴(kuò)展路徑。將1#試樣進(jìn)行解剖，采用線切割沿右圖藍(lán)色虛線處切開，一共取2塊樣用于試驗(yàn)分析，心軌取兩塊試樣分別編號為1-1和1-2;1-1試樣用于沿縱截面方向觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展方式;1-2試樣用于沿橫截面方向觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展。

2#轍叉失效形式為心軌頂面過量磨損，在軌頂面邊緣處可以看到剝落掉皮后留下的凹坑，從形式上看其屬于疲勞磨損。實(shí)驗(yàn)中采用線切割沿圖中藍(lán)色虛線位置處取樣，以觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展與組織的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織

3種成分的轍叉的金相組織如圖3所示。3種轍叉組織均為空冷貝氏體組織，但在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形態(tài)有顯著差異。1#轍叉組織多呈條片狀，僅有少量呈粒狀;2#轍叉組織主要呈粒狀，僅有少量呈條片狀;3#轍叉基本上都呈粒狀，且組織相對于1#和2#轍叉更細(xì)小。根據(jù)貝氏體組織形態(tài)的不同，最早將貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體;但在Si含量較高的合金鋼中，Si會(huì)抑制碳化物的形成，貝氏體轉(zhuǎn)變可以不形成碳化物，形成貝氏體鐵素體+富碳?xì)堄鄪W氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（多呈島狀）的混合組織，這樣的貝氏體組織稱為無碳化物貝氏體。實(shí)驗(yàn)選取的3種成分的鋼均為Si含量較高的合金鋼，其組織均應(yīng)隸屬無碳化物貝氏體。貝氏體鐵素體呈條片狀還是呈塊型轉(zhuǎn)變?nèi)Q于貝氏體鐵素體的轉(zhuǎn)變機(jī)制，合金元素、C含量及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變速率均會(huì)影響貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制及貝氏體形態(tài)。大量的試驗(yàn)證據(jù)表明，粒狀貝氏體與常規(guī)貝氏體在相變機(jī)制上是一致的。其特殊的組織形態(tài)主要來源于兩個(gè)因素的影響：在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變和低的碳含量。前者允許相變在廣闊的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，使作為基體組織的鐵素體形態(tài)不規(guī)則。而低的碳含量使得分布于貝氏體亞單元之間的殘余奧氏體尺寸微細(xì)，在光學(xué)顯微鏡下，貝氏體束內(nèi)的單片貝氏體因而難以被識別[2]。由于貝氏體組織屬于中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其組織形態(tài)多種多樣，因此，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不可能為某一種單一形態(tài)的貝氏體組織。依鋼的成分、轉(zhuǎn)變溫度或熱處理過程中連續(xù)冷卻速率不同，導(dǎo)致貝氏體鋼轍叉心軌熱處理后最終形成混合組織。

2.2 力學(xué)性能

3種成分的轍叉的力學(xué)性能見表3，同時(shí)表3中給出了Q/CR595-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的貝氏體轍叉的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。3種成分轍叉的各項(xiàng)指標(biāo)基本都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中1#轍叉的強(qiáng)度最高，硬度接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限;2#轍叉強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限;3#轍叉強(qiáng)度處于三者中間水平，硬度處于標(biāo)準(zhǔn)要求的中間值水平。

2.3 轍叉實(shí)際使用壽命及失效形式

3種轍叉實(shí)際使用壽命及失效形式結(jié)果見表4。1#轍叉使用壽命最短，過載量不足1億噸，主要發(fā)生心軌軌頂面剝落掉塊;2#轍叉使用壽命略高于1#轍叉，過載量達(dá)到1.2億噸，但其壽命仍較低，主要是因?yàn)椴荒湍?3#轍叉使用壽命較長，過載量達(dá)到2.5億噸，屬正常磨耗到限下道。

2.4 裂紋萌生及擴(kuò)展路徑分析

1#轍叉心軌剝落掉塊處橫縱面裂紋擴(kuò)展形式如圖4所示。在剝落掉塊處觀察到沿縱向貫通的裂紋，如圖4（a）、（c）所示;在靠近剝落掉塊坑面的邊緣部觀察到多條裂紋，如圖4（b）、（d）所示，裂紋起源于表面，沿與表面呈30°～50°夾角方向向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋最深已擴(kuò)展至離表面0.8 mm深處。1#試樣經(jīng)腐蝕后可觀察到其變形層較淺，約70 μm，如圖4（e）、（f）所示，由于材料的屈服強(qiáng)度較高，次表面幾乎觀察不到變形，裂紋在表面產(chǎn)生后在交變載荷作用下向內(nèi)部擴(kuò)展。若兩條裂紋相交且整個(gè)裂紋面貫通后發(fā)生剝落掉塊。

在1#轍叉軌頂面邊緣磨損處觀察到小裂紋，如圖5（a）所示;裂紋與軌頂面約呈10°夾角斜向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋最深已擴(kuò)展至離表面0.25 mm深處，如圖5（b）所示;隨著服役時(shí)間的延長，若裂紋相交并貫通后會(huì)掉屑，因此，根據(jù)以上觀察和分析，其磨損形式應(yīng)該為疲勞磨損。

2#轍叉主要失效形式為過量磨損，從其磨損面形貌上看應(yīng)為疲勞磨損。在軌頂面的邊緣處觀察到多條幾乎平行于軌頂面的裂紋，如圖6（a）所示;試樣經(jīng)腐蝕后可觀察到其變形層較深，約0.7 mm，裂紋在變形層內(nèi)擴(kuò)展，如圖6（b）所示;此外，在裂紋附近及裂紋上方觀察到組織發(fā)生了明顯的流變，如圖6（c）、（d）所示，說明發(fā)生了較大的塑性變形;在裂紋尖端處觀察到裂紋易于沿貝氏體條擴(kuò)展，當(dāng)裂紋遇到粒狀貝氏體時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)而沿貝氏體條擴(kuò)展，如圖6（e）。這種失效模式是典型的疲勞磨損，在反復(fù)的交變載荷作用下變形層塑性耗盡，裂紋在變形層擴(kuò)展導(dǎo)致表面掉皮。

3 分析與討論

1#轍叉心軌硬度和屈服強(qiáng)度較高，硬度平均值接近HRc45，屈服強(qiáng)度大于1 100 MPa，服役過程中軌頂面變形層較淺，裂紋在表面產(chǎn)生后在交變載荷作用下易于向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋距軌頂面達(dá)到0.5 mm～0.8 mm深，裂紋貫通后發(fā)生剝落掉塊。2#轍叉硬度和屈服強(qiáng)度較低，硬度為HRc38～39，屈服強(qiáng)度低于1 000 MPa，服役過程中軌頂面易于發(fā)生變形，且靠近軌頂面處變形層較深，約0.7 mm，塑性變形累積導(dǎo)致裂紋萌生及裂紋在變形層內(nèi)擴(kuò)展，導(dǎo)致軌頂面掉皮，耐磨性不足。相較而言，3#轍叉強(qiáng)度和硬度適中，硬度HRc40～42，屈服強(qiáng)度為平均1 080 MPa，使用過程中均勻磨耗，未發(fā)生剝落掉塊，使用效果好。因此，過高及過低的強(qiáng)度和硬度對轍叉的使用壽命均不利，硬度和強(qiáng)度過高易導(dǎo)致軌頂面剝落掉塊，硬度和強(qiáng)度過低易導(dǎo)致軌頂面不耐磨。

從裂紋擴(kuò)展路徑與組織特征關(guān)系看，裂紋易于沿貝氏體條擴(kuò)展，當(dāng)裂紋遇到粒狀貝氏體時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，裂紋轉(zhuǎn)而沿貝氏體條擴(kuò)展。因此，粒狀組織對提升轍叉壽命有利。從貝氏體相變角度看，適當(dāng)降低碳含量和空冷正火時(shí)的冷卻速度有利于獲得粒狀組織，從而提高轍叉使用壽命。

4 結(jié)論

（1）從材料強(qiáng)度、硬度與裂紋擴(kuò)展關(guān)系來看，材料強(qiáng)度適中時(shí)靠近軌頂面一定深度處的適量塑性變形可以釋放應(yīng)力，減小裂紋向內(nèi)部擴(kuò)散的傾向，利于減小剝落掉塊的傾向，但若材料強(qiáng)度太低會(huì)導(dǎo)致不耐磨損。

（2）從裂紋擴(kuò)展與材料組織關(guān)系的角度分析，裂紋易于沿貝氏體條擴(kuò)展;而粒狀貝氏體可以使裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂紋擴(kuò)展路徑和阻力，有利于抑制裂紋擴(kuò)展。

（3）適當(dāng)降低碳含量和空冷正火時(shí)的冷卻速率有利于得到粒狀組織，粒狀組織與合理的硬度、機(jī)械性能指標(biāo)相配合，可以提高貝氏體鋼轍叉心軌的上道運(yùn)營壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘攀，龍曉燕.貝氏體鋼轍叉的宏觀失效機(jī)理[J].鑄造技術(shù)，2016，37（6）：1153-1157.

[2]賀信萊.高性能低碳貝氏體鋼的研究與開發(fā)[D].北京科技大學(xué).