尹段泉

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限公司，河北 肅寧 062350

朔黃鐵路年通過(guò)總質(zhì)量逐年攀升，已突破3.4億t，列車(chē)荷載作用對(duì)鋼軌接頭的沖擊不斷加劇，鋼軌疲勞和傷損的發(fā)展速率也隨之加快［1-4］。2021年，朔黃鐵路肅寧分公司管內(nèi)通過(guò)小型探傷儀共發(fā)現(xiàn)鋼軌重傷430處，其中占比最高的是軌腰裂紋（147處）。軌腰部位傷損多發(fā)會(huì)增加線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)臨時(shí)要點(diǎn)上線(xiàn)的次數(shù)，給作業(yè)人員人身安全帶來(lái)極大隱患。為了保證鋼軌使用和列車(chē)運(yùn)行安全，減少人員臨時(shí)上線(xiàn)的頻率，有必要對(duì)軌腰部位傷損原因進(jìn)行分析，探討整治措施。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

從2021年檢出的傷損鋼軌中抽取1件軌腰裂紋鋼軌進(jìn)行分析。該鋼軌為朔黃鐵路定州東站內(nèi)6號(hào)道岔直尖軌后的連接軌，于2021年11月3日上線(xiàn)，采用凍結(jié)夾板進(jìn)行聯(lián)結(jié)。2021年11月9日鋼軌探傷檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)軌端存在裂紋，當(dāng)天將該段鋼軌下線(xiàn)。裂紋從軌端裂至第一螺栓孔，朝第二螺栓孔方向無(wú)裂紋。該鋼軌為2021年2月攀鋼生產(chǎn)的75N軌，材質(zhì)為U78CrV（PG4鋼軌）［5-6］，熱軋態(tài)，爐號(hào)P21301052203B，共在線(xiàn)使用6 d，通過(guò)總質(zhì)量702.4萬(wàn)t。

1.1 傷損鋼軌宏觀形貌觀測(cè)

圖1為傷損鋼軌的宏觀形貌?？梢钥闯觯簲嗔寻l(fā)生在軌端的軌腰中部偏上部位（距軌頂面約72 mm），沿鋼軌縱向延伸至第一螺栓孔，長(zhǎng)80 mm，且裂紋已貫穿軌腰的內(nèi)外表面；鋼軌端面及軌腰表面銹蝕均較輕，端面有較完整的白色油漆標(biāo)記（漆面上的黑色物質(zhì)為污漬），端面無(wú)明顯磕碰痕跡；鋼軌端面與軌腰表面交界的棱角及螺栓孔棱角均已進(jìn)行倒棱，無(wú)毛刺。

圖1 軌腰裂紋鋼軌宏觀形貌

為確定鋼軌軌端與夾板的匹配情況，觀察軌端的軌腰與夾板的接觸區(qū)域，并測(cè)量軌腰尺寸。非工作邊側(cè)的軌腰與夾板的接觸區(qū)域表面無(wú)明顯的接觸亮斑。而工作邊側(cè)，在軌頭下顎圓角處存在一條自軌端向內(nèi)的接觸亮斑，相應(yīng)地，在夾板與軌頭下顎接觸位置也存在接觸亮斑，如圖2所示。未發(fā)現(xiàn)夾板尺寸過(guò)大等接觸異?，F(xiàn)象。利用接頭夾板安裝面的正負(fù)量規(guī)分別對(duì)軌端的軌腰兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，滿(mǎn)足TB/T 2344.1—2020《鋼軌 第1部分：43 kg/m～75 kg/m鋼軌》對(duì)軌腰形式的上下限要求。綜上，該鋼軌與夾板無(wú)接觸不良等問(wèn)題。

圖2 傷損鋼軌與夾板的工作邊側(cè)形貌

1.2 斷口表面宏觀及微觀形貌觀測(cè)

將軌腰裂紋打開(kāi)，并采用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，清洗前后斷口宏觀形貌見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯毫鸭y萌生于鋼軌端面，以線(xiàn)源方式向軌腰內(nèi)部及軌腰表面擴(kuò)展，有明顯的沿鋼軌縱向擴(kuò)展的放射狀棱線(xiàn)。根據(jù)形貌特征，斷口可分為四個(gè)區(qū)域：裂紋源、快速擴(kuò)展區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。近軌端的裂紋源大部分區(qū)域（距軌端50～66 mm）呈深褐色，銹蝕比較嚴(yán)重。清洗后斷口呈脆性斷裂特征，表面存在由裂紋源向內(nèi)發(fā)散的輻射狀線(xiàn)，而無(wú)疲勞條帶等疲勞擴(kuò)展痕跡，這表明裂紋萌生后在此區(qū)域內(nèi)發(fā)生了快速擴(kuò)展。斷口上中間較窄的扇形區(qū)域（長(zhǎng)5～18 mm）呈白亮色，具有金屬光澤，斷口表面平整且存在較明顯的疲勞條紋，說(shuō)明此區(qū)域?yàn)槠跀嗫谔卣?，裂紋在前期快速擴(kuò)展至兩區(qū)域邊界后，開(kāi)始向螺孔方向發(fā)生疲勞擴(kuò)展，此區(qū)域應(yīng)是在鋼軌上線(xiàn)服役過(guò)程中產(chǎn)生的?？拷菟讌^(qū)域在清洗前呈淺褐色，斷口表面也呈現(xiàn)明顯的放射狀條紋，為裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展之后的瞬斷區(qū)。

圖3 軌腰斷口宏觀形貌

對(duì)耦合斷口上的裂紋源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)邊界處進(jìn)行掃描電鏡觀察，見(jiàn)圖4和圖5。從圖4（a）可以看出，裂紋以線(xiàn)源方式從靠近棱角處的軌端面上萌生，線(xiàn)源長(zhǎng)約3.3 mm，之后呈放射狀向軌腰內(nèi)部擴(kuò)展。由于列車(chē)經(jīng)過(guò)鋼軌接頭時(shí)軌端受到的沖擊力較大，通過(guò)圖4（b）較高倍的照片可看出斷口表面碾壓磨損較為嚴(yán)重，已無(wú)法看清具體形貌特征，但從斷口上仍可確認(rèn)裂紋源處無(wú)疲勞裂紋，整體呈脆性快速斷裂特征。從圖5可以看出有疲勞條紋特征，但表面碾壓磨損比較嚴(yán)重，無(wú)法看清具體特征。

圖5 疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口掃描電鏡下微觀形貌

1.3 傷損部位金相組織檢驗(yàn)

從軌底側(cè)的耦合斷口上分別取裂紋源和軌腰中線(xiàn)處的縱截面金相試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 裂紋源縱截面的金相組織

圖7 軌腰中線(xiàn)縱截面的金相組織

從圖6可以看出：對(duì)于裂紋源縱截面，浸蝕前軌端邊緣及基體內(nèi)均無(wú)較大尺寸的夾雜物，在裂紋源下方的軌端面上存在一條平行于斷口的表面裂紋；浸蝕后軌腰端面存在明顯的塑性變形層，厚度為30～60μm。邊緣存在白亮色的馬氏體組織，且在整個(gè)試樣軌端面上都存在斷斷續(xù)續(xù)的馬氏體組織，最厚約15μm。鋼軌的基體組織正常，為珠光體加少量鐵素體。

從圖7可以看出：對(duì)于軌腰中線(xiàn)縱截面，浸蝕前軌端邊緣及基體內(nèi)無(wú)較大尺寸的夾雜物；浸蝕后軌腰端面有塑性變形層和斷續(xù)的馬氏體組織，最厚約15μm。

1.4 傷損鋼軌理化性能檢驗(yàn)

1.4.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》，對(duì)傷損鋼軌進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，并與TB/T 2344.1—2020的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。可知，該鋼軌的化學(xué)成分滿(mǎn)足TB/T 2344.1—2020對(duì)U78CrV鋼的技術(shù)要求。

表1 傷損鋼軌化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.4 .2拉伸性能檢驗(yàn)

根據(jù)TB/T 2344.1—2020，在軌端一側(cè)及遠(yuǎn)軌端無(wú)螺栓孔一側(cè)的軌頭分別取樣，見(jiàn)圖8。對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，并與TB/T 2344.1—2020的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。可知，傷損鋼軌拉伸性能滿(mǎn)足TB/T 2344.1—2020的技術(shù)要求。

圖8 鋼軌全斷面硬度測(cè)點(diǎn)位置示意

表2 傷損鋼軌的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

1.4.3 全斷面洛氏硬度檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，在傷損鋼軌上截取全橫斷面試樣進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，觀察是否存在較大的波動(dòng)點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果表明，傷損軌的軌腰和軌底的硬度較為穩(wěn)定，且在裂紋源位置并無(wú)較大的硬度波動(dòng)點(diǎn)。

2 傷損原因

2.1 軌端裂紋產(chǎn)生的原因

組織特征及理化檢驗(yàn)結(jié)果顯示，傷損鋼軌軌腰端面存在厚度為30～60μm的塑性變形層及斷斷續(xù)續(xù)的馬氏體組織，馬氏體層最厚約15μm。其基體組織為珠光體和少量鐵素體，軌端邊緣及基體內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)較大尺寸的夾雜物。傷損鋼軌的化學(xué)成分、金相組織和拉伸性能均滿(mǎn)足TB/T 2344.1—2020對(duì)U78CrV鋼的技術(shù)要求，軌腰橫斷面硬度無(wú)明顯的波動(dòng)點(diǎn)。同時(shí)鋼軌端面與軌腰表面交界的棱角已進(jìn)行倒棱，軌端裂紋處無(wú)磕碰等外傷痕跡，且鋼軌夾板安裝面與夾板的接觸斑正常，無(wú)匹配不當(dāng)問(wèn)題。

因此，鋼軌軌端萌生裂紋的主要原因是軌端面存在較多的馬氏體。由于馬氏體脆硬的性質(zhì)，在所受應(yīng)力較大及應(yīng)力集中條件下極易開(kāi)裂，從而萌生裂紋。

2.2 軌端裂紋快速發(fā)展的原因

自軌端馬氏體處萌生裂紋后，斷口首先呈現(xiàn)出布滿(mǎn)輻射狀線(xiàn)的脆性斷裂特征，這表明該裂紋擴(kuò)展過(guò)程是一次快速產(chǎn)生的。

傷損鋼軌表面及軌腰斷口形貌表明，裂紋以線(xiàn)源方式起源于軌端面的軌腰部位；之后向軌腰內(nèi)部及軌腰表面發(fā)生縱向快速擴(kuò)展，形成長(zhǎng)50～66 mm的快速擴(kuò)展斷口，而后列車(chē)經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的反復(fù)動(dòng)彎應(yīng)力使裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，形成長(zhǎng)5～18 mm的疲勞斷口；最后發(fā)生直至第一螺栓孔處的瞬間斷裂。線(xiàn)路狀態(tài)不良，如接頭養(yǎng)護(hù)不良、接頭病害整治不及時(shí)、膠接絕緣接頭作業(yè)質(zhì)量不佳、道床彈性不好等，都會(huì)加大列車(chē)通過(guò)時(shí)的反復(fù)動(dòng)彎應(yīng)力，從而大大加快軌端裂紋的發(fā)展。

3 維修養(yǎng)護(hù)措施

1）對(duì)短軌接頭端面進(jìn)行處理

采用鋼軌端面打磨機(jī)或液壓鋼軌端銑機(jī)對(duì)鋸軌后的鋼軌接頭端面進(jìn)行打磨或者端銑處理，消除因鋸片摩擦產(chǎn)生的馬氏體組織。

2）應(yīng)用焊軌車(chē)對(duì)短軌接頭進(jìn)行焊復(fù)

充分利用大型焊軌車(chē)對(duì)所有短軌接頭及時(shí)焊復(fù)，最大程度上減少重載列車(chē)對(duì)鋼軌接頭的沖擊力，從根源上減少軌端與螺孔裂紋傷損。

3）加強(qiáng)接頭區(qū)域養(yǎng)護(hù)

加強(qiáng)對(duì)接頭區(qū)域的養(yǎng)護(hù)，軌縫始終保持在規(guī)定范圍之內(nèi)；定期對(duì)接頭夾板和螺栓進(jìn)行涂油，緩減列車(chē)的沖擊和破壞；2萬(wàn)噸主要進(jìn)路道岔安裝整體式軌距桿，提高道岔整體橫向剛度，減小2萬(wàn)噸列車(chē)側(cè)向通過(guò)時(shí)對(duì)道岔的橫向作用力。

4）綜合整治接頭病害

加大對(duì)接頭部位道床的整治力度，防止接頭空吊、道床板結(jié)；定期對(duì)軌面進(jìn)行整修，及時(shí)打磨接頭軌端不均勻磨耗、剝落掉塊和肥邊。

5）嚴(yán)格控制鋼軌膠接絕緣接頭作業(yè)質(zhì)量

現(xiàn)場(chǎng)膠接絕緣接頭嚴(yán)格按照TB/T 2975—2018《鋼軌膠接絕緣接頭》標(biāo)準(zhǔn)工藝流程操作，鋼軌軌端、螺栓孔、鋼軌膠接面應(yīng)打磨光滑、無(wú)毛刺，膠接范圍內(nèi)鋼軌軌腰上的生產(chǎn)廠標(biāo)等應(yīng)打磨平整。

6）通過(guò)大中型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)，恢復(fù)道床彈性

將長(zhǎng)度不超過(guò)50 m的岔間線(xiàn)路納入道岔機(jī)篩范圍內(nèi)，充分利用大中型養(yǎng)路機(jī)械解決岔區(qū)道床臟污板結(jié)、翻漿冒泥等問(wèn)題；有效恢復(fù)道床彈性，改善輪軌力學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，減緩道岔鋼軌壓潰、掉塊等傷損發(fā)展，延長(zhǎng)軌件使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)朔黃鐵路軌腰裂紋傷損鋼軌進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，明確了鋼軌傷損類(lèi)型為起源于鋼軌端面的軌腰水平裂紋，鋼軌端面存在馬氏體組織是軌腰水平裂紋產(chǎn)生的主要原因。因此，應(yīng)對(duì)短軌接頭端面進(jìn)行打磨或者端銑處理，對(duì)短軌接頭進(jìn)行焊復(fù)，加強(qiáng)接頭區(qū)域養(yǎng)護(hù)，綜合整治接頭病害，嚴(yán)格控制鋼軌膠接絕緣接頭作業(yè)質(zhì)量，利用大中型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)恢復(fù)道床彈性，從根本上避免鋼軌軌端裂紋的產(chǎn)生。