于毫勇 凡艷麗 張遠(yuǎn)慶 張晟 呂明奎 王釗 宋希朝 徐海濤 徐伊

北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司， 北京 102206

在扣件系統(tǒng)中，彈條提供扣壓力，限制鋼軌產(chǎn)生縱向及橫向位移，同時將軌枕與鋼軌連接為整體，并利用自身所具有的彈性變形能力來吸收和減緩鋼軌受到的機(jī)械振動和沖擊。隨著高速鐵路運(yùn)營里程的增加和維修費(fèi)用的減少，高速鐵路彈條失效的問題日益突出。失效研究主要集中在材質(zhì)（表面質(zhì)量和脫碳［1-2］、內(nèi)部夾雜物［3］、內(nèi)部組織［4］）、動靜應(yīng)力［5］、安裝扭矩過大［6］、腐蝕磨損［7］，輪軌瞬態(tài)響應(yīng)對彈條傷損的影響［8］，鋼軌波磨引起的扣件病害［9］等。

W 形彈條采用?14 mm 的60Si2Mn 彈簧鋼生產(chǎn)，工藝流程為：下料→中頻感應(yīng)加熱→壓力機(jī)三次成型→淬火液淬火→網(wǎng)帶爐回火→拋丸→多元合金共滲+鈍化→檢驗(yàn)合格入庫。疲勞試驗(yàn)采用PT?20A 疲勞試驗(yàn)機(jī)，按TB/ T 1495—2020《彈條Ⅰ型扣件》進(jìn)行，設(shè)計組裝位移為14 mm，動態(tài)位移為-2.0 ～ +0.5 mm，加載頻率16 Hz；TB/T 3395.5—2015《高速鐵路扣件 第5部分 WJ?8型扣件》要求5 × 106次循環(huán)不能斷裂。

彈條在出廠前均要進(jìn)行出廠檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括型式尺寸、外觀、標(biāo)志、表面裂紋、硬度、金相組織、脫碳層、殘余變形。疲勞性能為型式檢驗(yàn)項(xiàng)目，但可以直接反映彈條的使用壽命，是后續(xù)維護(hù)中重要的參考依據(jù)。

本文以某斷裂彈條為研究對象，利用金相顯微鏡、SEM、洛氏硬度計、布氏硬度計等設(shè)備，分析彈條斷裂原因，并給出相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

某批號W 形彈條在疲勞試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂，如圖1 所示。斷裂試樣對應(yīng)的疲勞次數(shù)為555230，初始彈程14.38 mm。原材料采用某鋼廠生產(chǎn)的60Si2Mn彈簧鋼，爐號2214292。

圖1 彈條斷裂位置

1.2 試驗(yàn)方法

將斷裂彈條放在平臺上，前端標(biāo)識出某測點(diǎn)A，用百分表測量該點(diǎn)相對高程（h0），讀數(shù)精確至0.01 mm。隨后，采用PT?20A 彈條疲勞試驗(yàn)機(jī)，將彈條根部嵌入硬質(zhì)金屬嵌入塊的圓弧內(nèi)，安裝方法見圖2。將疲勞試驗(yàn)機(jī)壓頭逐漸向下移動，達(dá)到組裝位移后，繼續(xù)施加動態(tài)位移。循環(huán)5 × 106次后，在A 點(diǎn)測量高程（h1），則可以得出疲勞試驗(yàn)殘余變形Δh=h0-h1，要求Δh≤ 1.00 mm。

圖2 彈條疲勞試驗(yàn)裝置（單位：mm）

從與斷裂試樣同批次的彈簧鋼中取樣，加工拉伸試樣，見圖3。采用WDW?300 微機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)，按GB/ T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》測試其拉伸性能；截取55 mm × 10 mm ×10 mm 試樣，加工出U 形缺口，采用E22.452 沖擊試驗(yàn)機(jī)，按GB∕ T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按GB/ T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》測試其布氏硬度。

圖3 60Si2Mn彈簧鋼拉伸試樣（單位：mm）

從斷裂彈條上截取13 ～ 21 mm 試樣，拋光后采用ARL 4460直讀光譜儀對彈條化學(xué)成分進(jìn)行分析。

利用ZXQ?5 鑲嵌機(jī)鑲嵌截取試樣，用砂紙粗磨后，在M?2 金相預(yù)磨機(jī)上用粒度600 目的金剛砂進(jìn)行細(xì)磨，采用HR?150A 洛氏硬度計對其表面進(jìn)行硬度檢測。

使用2% ～ 4%的硝酸酒精溶液對拋光后表面輕腐蝕后，采用AxioVert. A1 金相顯微鏡對彈條進(jìn)行金相組織分析，同時按GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》中的金相法分析脫碳層深度。

采用超聲波將斷口試樣清洗后用酒精沖洗干凈，用吹風(fēng)機(jī)吹干。然后，采用Thermo Fisher Scientific 廠家生產(chǎn)的Apero C 型掃描電鏡對斷口進(jìn)行掃描，再采用EDAX（Energy Dispersive X?Ray Analysis）對試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)合Tru?Q?技術(shù)確保成分檢驗(yàn)定量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

彈條化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。原料（爐號2214292）的出廠檢（生產(chǎn)廠家自檢）與入廠檢得到的力學(xué)性能見表2?？芍夯瘜W(xué)成分和力學(xué)性能均滿足GB/ T 1222—2016《彈簧鋼》中60Si2Mn的要求。

表1 彈條的化學(xué)成分%

表2 原料爐號（2214292）出廠檢與入廠檢結(jié)果

彈條金相組織見圖4。可知：其組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，心部有微量的斷續(xù)鐵素體，組織狀態(tài)良好，無異常。測試結(jié)果表明：脫碳層深度最大值為0.071 mm，滿足TB/ T 3395.5—2015 中不大于0.13 mm 的要求；回火后硬度45 ～ 46 HRC，滿足TB/ T 3395.5—2015中42 ～ 47 HRC的要求。

圖4 斷裂彈條的金相組織

可見，原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和產(chǎn)品最終的性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 斷口宏觀形貌

斷裂彈條的斷裂位置（參見圖1）位于尾部跟端支點(diǎn)附近，且靠近圓弧處，斷裂位置的彈條表面質(zhì)量良好，不存在試驗(yàn)加載痕跡。斷口宏觀形貌見圖5?？芍簲嗫诰哂械湫推跀嗔烟卣?，包括裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，斷口平齊，有明顯的放射棱線，擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋明顯。

圖5 斷口宏觀照片

2.3 斷口掃描電鏡觀察

圖6為斷裂彈條表面兩個不同位置的掃描電鏡圖樣。由圖6（a）可以看出：對于掃描位置1，在距表面約100 μm處有圓球狀夾雜物，嚴(yán)格判定應(yīng)為單顆粒球狀DS 夾雜物，直徑約18.2 μm；夾雜物附近顏色偏暗，晶界偏亮，斷裂從夾雜物處起源，疲勞輝紋呈放射狀分布。能譜分析［圖7（a）］發(fā)現(xiàn)，夾雜物中有Ca、Si、P、O等元素，其成分與中包覆蓋渣類似。由圖6（b）可以看出：對于掃描位置2，距表面約80 μm 處有長條狀白亮夾雜物，長度約為25 μm，寬度約為5 μm；沿夾雜物有滑移線出現(xiàn)，放大后可見細(xì)小韌窩，判斷斷裂為延性斷裂。能譜分析［圖7（b）］發(fā)現(xiàn)，夾雜物中有Ca、Si、P、O、K 等元素，其中K 元素為結(jié)晶器保護(hù)渣所特有的成分。圖7中，Wt為質(zhì)量百分比，σ為誤差。

圖6 斷裂彈條表面掃描電鏡圖樣

圖7 夾雜物1及夾雜物2能譜分析

3 非金屬夾雜物

3.1 疲勞裂紋的起源

鋼中非金屬夾雜物在煉鋼過程中是不可避免的，主要在鋼的脫氧過程中產(chǎn)生。鋁鎮(zhèn)靜鋼普遍采用鋁脫氧和鈣處理，元素Al 和Ca 的存在對夾雜物的成分有明顯的影響。爐外精煉可以有效改變夾雜物成分，吸附渣中夾雜物。精煉過程中的吹氬和真空處理促進(jìn)了鋼中夾雜物向渣中的去除。連鑄過程中采用保護(hù)渣澆鑄，避免了鋼液的二次氧化。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，裂紋起源于夾雜物處，而該夾雜物由于含有K 元素，可推斷是澆注過程在結(jié)晶器和中包中發(fā)生了卷渣。追查該批號生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，液面的確存在波動，澆注過程發(fā)生了卷渣。

渣子進(jìn)入鋼中后，與基體的結(jié)合通常是不完全的，相互之間往往存在一定的間隙，即材料本征裂紋［10-12］。非金屬夾雜物、碳鋼（室溫）以及彈條金屬基體的彈性模量和平均線性熱膨脹系數(shù)［13-15］見表3。可知：對于Ca、Si、O元素形成的夾雜物，體積收縮比小于基體［16］。彈性模量不同，則受外力時變形不同。因此，在冷卻凝固過程中，夾雜物的體積收縮比周圍金屬要小，從而導(dǎo)致夾雜物與金屬基體之間形成空隙，導(dǎo)致形成裂紋最初的起源。

表3 非金屬夾雜物和鋼的彈性模量和熱膨脹系數(shù)

隨著疲勞試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋趨向于最大剪切應(yīng)力方向，當(dāng)裂紋逐漸長大并合并到一定的尺寸時，在所加載應(yīng)力條件下開始擴(kuò)展。由于材料具有回復(fù)性，在此過程形成疲勞輝痕。最終，裂紋垂直于最大應(yīng)力軸方向擴(kuò)展直至試樣表面，宏觀表現(xiàn)為疲勞斷裂。

3.2 疲勞極限的確定

高強(qiáng)度鋼疲勞行為的本質(zhì)是由于高強(qiáng)度鋼對細(xì)小的缺陷和夾雜物非常敏感，缺陷和夾雜物形狀和位置的多樣性導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度分散性較強(qiáng)。然而，鋼中的非金屬夾雜物在煉鋼過程中是不可避免的。夾雜物的成分、尺寸、形狀、數(shù)量和分布對鋼的強(qiáng)度、韌性、疲勞、耐蝕性等性能有重要影響［17］。鋼中夾雜物對疲勞性能的影響應(yīng)該考慮的因素包括夾雜物的形狀、夾雜物與基體的黏附、夾雜物和基體的彈性常數(shù)以及夾雜物的尺寸。這些因素都與夾雜物周圍的應(yīng)力集中因子和應(yīng)力分布有關(guān)。相關(guān)學(xué)者們試圖通過假設(shè)夾雜物為球形或橢圓形來定量評估夾雜物的應(yīng)力集中因子，但這些假設(shè)只是粗略估計，因?yàn)閹缀涡螤畹妮p微偏差都會對應(yīng)力集中因子產(chǎn)生很大的影響。用應(yīng)力集中系數(shù)來估計鋼的疲勞強(qiáng)度是不實(shí)際的，因?yàn)樵诟邚?qiáng)鋼中發(fā)現(xiàn)的魚眼中心夾雜物形狀各異，有些遠(yuǎn)不是球形或橢圓形。

Murakami［18］研究了基本疲勞機(jī)理和評價疲勞斷裂應(yīng)力與非金屬夾雜物尺寸和位置的相關(guān)性，得到表面夾雜物處的疲勞極限，表達(dá)式為

而對于內(nèi)部夾雜物，則有

式中：σw為疲勞極限；HV為基體維氏硬度；As為表面缺陷投影到垂直于最大拉應(yīng)力平面上的投影面積；Ai為內(nèi)部缺陷投影在垂直于最大拉應(yīng)力平面上的投影面積，≈1.69。

對于斷裂彈條，非金屬夾雜物實(shí)質(zhì)上等同于缺陷或空洞，因此等同于具有相同投影面積的裂紋。需要注意的是，盡管形狀、化學(xué)成分等都可能影響應(yīng)力集中系數(shù)從而影響裂紋萌生的臨界應(yīng)力，但這些并不是確定疲勞極限的主要因素，因?yàn)槠跇O限是由裂紋擴(kuò)展條件決定的，其值總是大于裂紋萌生應(yīng)力。

熱處理后彈條硬度為45 ～ 46 HRC，對應(yīng)維氏硬度為450 ～ 460 HV。夾雜物1［參見圖7（a）］為球形，直徑18.2 μm，其疲勞極限為512.8 MPa；夾雜物2［參見圖7（b）］為長條形，長約25 μm，寬約5 μm，其疲勞極限為378.5 MPa，數(shù)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常彈簧鋼的疲勞極限（約687 MPa），在疲勞試驗(yàn)過程中易從夾雜物處斷裂。

3.3 生產(chǎn)改進(jìn)措施

TB/ T 3395.5—2015 中對非金屬夾雜物的要求見表4。為避免彈條的潛在缺陷，要求原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)增加DS 夾雜物級別判定，指標(biāo)為DS 類（單顆粒球狀）不大于2.0 級，同時還要關(guān)注非金屬夾雜物所處的位置，近表面處（邊緣到夾雜物距離不大于0.1 mm）存在夾雜物時直接作退貨處理。采用上述方法后，后續(xù)生產(chǎn)的彈條在疲勞試驗(yàn)過程未出現(xiàn)斷裂。

表4 TB/T 3395.5—2015中非金屬夾雜物判定要求

根據(jù)上述分析，建議TB/ T 3395.5—2015 增加DS夾雜物級別和非金屬夾雜物位置檢驗(yàn)。

為從源頭控制原材料質(zhì)量，建議鋼廠穩(wěn)定生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格執(zhí)行爐外精煉、真空脫氣等各個環(huán)節(jié)工藝流程和工藝參數(shù)；連鑄時采用全程保護(hù)澆鑄、中包和結(jié)晶器液面自動控制，中間包采用雙層堿性覆蓋劑和擋渣墻，嚴(yán)格執(zhí)行恒拉速、恒液面、恒溫度等操作；加強(qiáng)非金屬夾雜的過程質(zhì)量控制及檢驗(yàn)。

4 結(jié)論及建議

1）彈簧鋼澆注過程液面波動過大，導(dǎo)致保護(hù)渣卷入鋼液，疲勞試驗(yàn)過程中從夾雜物處萌生裂紋；隨著疲勞試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)大，直至疲勞斷裂。

2）原材料進(jìn)廠增加DS 夾雜物級別和非金屬夾雜物位置判定后，所生產(chǎn)的彈條在疲勞試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)斷裂。

3）建議鋼廠加強(qiáng)煉鋼和澆鑄過程中非金屬夾雜的過程質(zhì)量控制，并加強(qiáng)生產(chǎn)過程及出廠時夾雜物的檢驗(yàn)。

4）建議TB/ T 3395.5—2015 增加DS 夾雜物級別和非金屬夾雜物位置檢驗(yàn)。