摘 要:某線路中的60Si2CrA 熱軋彈簧圓鋼Ⅱ型彈條在服役6a多后斷裂。采用宏觀觀察、化 學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗、斷口分析等方法對其斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:彈條表面 的防腐涂層剝落使其長時間暴露在腐蝕介質(zhì)中,并形成了腐蝕凹坑,腐蝕凹坑降低了彈條疲勞強(qiáng)度 并引起應(yīng)力集中,裂紋在該處萌生并不斷擴(kuò)展,最終發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。 

關(guān)鍵詞:Ⅱ型彈條;腐蝕疲勞;腐蝕凹坑;失效分析 

中圖分類號:TG115                                            文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                       文章編號:1001-4012(2022)05-0067-03

隨著我國鐵路重載化、高速化發(fā)展以及行車密 度日益增加,鐵路扣件系統(tǒng)面臨著更加復(fù)雜的工況, 對其相關(guān)零部件也提出了更高的性能要求[1]。彈條 是鐵路扣件系統(tǒng)中限制鋼軌縱向位移、橫向位移,連 接鋼軌與軌枕的關(guān)鍵零部件,其利用自身彈性變形 儲存的能量來緩解鋼軌整體受到的機(jī)械振動和沖擊 作用,在服役過程中往往承受較為復(fù)雜的彎曲-扭轉(zhuǎn) 交變應(yīng)力,有時還受到突然的沖擊載荷作用。近年 來,彈條失效問題日益突出[2-5],某線路上一個Ⅱ型 彈 條 扣 件 在 服 役 過 程 中 斷 裂,彈 條 的 材 料 為 60Si2CrA 熱軋彈簧圓鋼,服役時間為6a多。為分 析該彈條斷裂的原因,筆者對其進(jìn)行了一系列的相 關(guān)理化檢驗。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

圖1 斷裂彈條宏觀形貌 對斷裂彈條的宏觀形貌進(jìn)行觀察,斷裂位置為 側(cè)肢中后部(見圖1)。彈條表面防腐涂層已基本剝 落,表面銹蝕嚴(yán)重,可見大量點蝕坑,已形成麻面,未 見裂紋及局部擦傷痕跡。斷口整體較為平坦(見圖 2),周圍無宏觀塑性變形痕跡,裂紋源位于彈條側(cè)肢 中后部下方,覆蓋有大量深黃色腐蝕產(chǎn)物,輻射出放射狀條紋;擴(kuò)展區(qū)可見清晰的貝紋線,為典型疲勞斷 裂特征,腐蝕產(chǎn)物沿貝紋線富集;瞬斷區(qū)位于斷口最 邊緣位置,所占面積較小,呈剪切唇形態(tài)。彈條的斷 裂形式初步判斷為腐蝕疲勞。

1.2 化學(xué)成分分析 

在裂紋源附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如 表1所示,化學(xué)成分滿足 GB/T1222—2016 《彈簧 鋼》對60Si2Cr鋼的要求。

1.3 硬度測試 

對彈條進(jìn)行洛氏硬度測試(C 標(biāo)尺),測試結(jié)果 為 43.5HRC,44.0HRC和43.0HRC,滿足TB/T 3065.2—2002《彈條Ⅱ型扣件 第二部分:彈條》對 彈條硬度的要求(42~47HRC)。

1.4 金相檢驗 

在裂紋源附近沿軸向取樣進(jìn)行金相檢驗,其結(jié) 果如圖3所示,依據(jù) GB/T10561—2005《鋼中非金 屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》中的 A 法進(jìn)行非金屬夾雜物評級,檢測結(jié)果為 A0,B0, C0,D0.5,DS0 級,符 合 GB/T1222—2016 《彈 簧 鋼》對非金屬夾雜物的要求。裂紋源附近的顯微組 織為回火索氏體,脫碳層深度約為0.075mm,符合 標(biāo)準(zhǔn) TB/T3065.2—2002對彈條顯微組織及脫碳 層深度的要求。在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)大量的點蝕坑, 說明彈條外表面的腐蝕較為嚴(yán)重。 

1.5 斷口分析 

將斷口用酒精超聲清洗后烘干,利用掃描電鏡觀 察斷口形貌。在裂紋源區(qū)可見蘑菇狀腐蝕產(chǎn)物[見圖 4a)],擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋[見圖4b)]。在酒精中加入 少量鹽酸,再次超聲清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察,裂紋源 處可見一處深度約為0.13mm的凹坑[見圖4c)],凹坑 處有泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物附著[見圖4d)],對腐蝕產(chǎn)物進(jìn) 行能譜分析(見圖5),結(jié)果如表2所示,可知腐蝕產(chǎn)物 主要含有氧、鐵元素,為鐵的氧化產(chǎn)物Fe2O3。

2 綜合分析 

經(jīng)上述理化檢驗綜合分析,彈條的化學(xué)成分、硬 度、非金屬夾雜物、顯微組織、脫碳層深度均符合相 關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)要求,說明彈條斷裂與材料本身及熱處理工藝無關(guān)。通過斷口宏觀及微觀觀察,疲勞斷口三區(qū) 特征明顯,擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞輝紋,裂紋源處發(fā)現(xiàn) 腐蝕凹坑,有泥狀腐蝕產(chǎn)物附著,能譜分析結(jié)果顯示 腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化產(chǎn)物 Fe2O3,因此確定斷 裂形式為腐蝕疲勞斷裂。 

綜上所述,彈條防腐涂層剝落及其長時間暴露 在空氣等腐蝕介質(zhì)中,彈條表面被腐蝕形成蝕點,蝕 點連接起來并逐漸擴(kuò)展延伸,最終在彈條表面形成 深淺不一的腐蝕凹坑缺陷,腐蝕凹坑降低了彈條該 處的疲勞強(qiáng)度并產(chǎn)生應(yīng)力集中。彈條在服役過程 中,尾部跟端支點附近承受著更大的交變載荷及沖 擊載荷,使得裂紋在腐蝕凹坑處萌生并不斷擴(kuò)展,最 終發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

彈條表面防腐涂層剝落使其長時間暴露在腐蝕介 質(zhì)中是造成彈條腐蝕疲勞斷裂的主要原因。建議優(yōu)化 彈條防腐防銹處理工藝,提高彈條的耐腐蝕性能。 

參考文獻(xiàn): 

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[2] 郭和平,李彪,李玉生.60Si2MnA 彈條斷裂分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2011,6(2):90-93. 

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 5期 (pp:67-69)>