摘 要:某矮型特種斷面(AT)鋼軌使用約２a(年)后其端部表面出現(xiàn)壓潰和掉塊失效.采用宏 觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和硬度檢測等方法,對 AT 鋼軌端部壓潰和掉塊的原因進(jìn)行了分 析.結(jié)果表明:該 AT 鋼軌的端部經(jīng)過了兩次感應(yīng)熱處理,使得熱影響區(qū)重合區(qū)域的球狀、點(diǎn)狀、破 斷的珠光體數(shù)量較多,導(dǎo)致該區(qū)域的硬度、強(qiáng)度偏低,且硬度過渡不均勻,最終該 AT 鋼軌端部出現(xiàn) 壓潰和掉塊失效. 

關(guān)鍵詞:AT 鋼軌;感應(yīng)熱處理;熱影響區(qū);壓潰;掉塊 

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８４２Ｇ０４

矮型特種斷面(AT)鋼軌因具有整體性強(qiáng)、剛度 大、在使用中不易出現(xiàn)拱腰鼓肚現(xiàn)象、養(yǎng)護(hù)維修工作 量小等優(yōu)異特性而被大量使用于鐵路道岔.線路鋼 軌則是選用標(biāo)準(zhǔn)鋼軌,道岔需要與線路鋼軌連接,這 就需 要 將 AT 鋼 軌 的 端 部 加 工 成 對 應(yīng) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 鋼 軌[１].某公司生產(chǎn)的道岔,在工務(wù)段使用約２a(年) 后,AT 鋼軌壓型的端部出現(xiàn)壓潰、掉塊失效,嚴(yán)重 影響行車安全.

該道岔鋼 軌 的 生 產(chǎn) 工 藝 為:AT 鋼 軌 端 部 熱 壓 型 → 壓 型 段 正 火 處 理 → 矯 直 → 機(jī) 加 工 → 感 應(yīng) 熱處理.其中:AT 鋼軌端部壓型是將圖１中 AT 鋼軌的 BＧB斷面壓型成標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的 AＧA 斷面;端 部感應(yīng)熱處理是通 過 中 頻 感 應(yīng) 加 熱,再 通 過 噴 風(fēng) 或噴霧等較快冷卻 方 式,將 之 前 鋼 軌 中 較 多 的 粗 片狀珠光體轉(zhuǎn)化成為索氏體(細(xì) 片 狀 珠 光 體),提 高鋼軌端部的硬度和強(qiáng) 度,增 強(qiáng) 其 耐 磨 性.正 常 感應(yīng)熱 處 理 硬 化 層 形 狀 如 圖 ２ 所 示. 為 查 明 該 AT 鋼 軌 端 部 壓 潰 和 掉 塊 的 原 因,筆 者 對 其 進(jìn) 行 了一系列的檢驗(yàn)和 分 析,以 期 避 免 此 類 事 故 再 次 發(fā)生. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀觀察 

該 AT 鋼軌端部壓潰和掉塊缺陷形貌如圖３所 示,可見其表面銹蝕較嚴(yán)重,工作面有明顯的磨耗、 壓潰、飛邊及掉塊缺陷,且整個端部呈中間凸起、兩 側(cè)凹下的形貌,即鞍形磨耗. 

１．２ 化學(xué)成分分析

在AT鋼 軌 端 部 掉 塊 處 取 樣 ,采 用 島 津PDAＧ７０００直讀光譜儀對其進(jìn)行化 學(xué) 成 分 分 析,結(jié) 果 見 表１,可見該 AT 鋼軌化學(xué)成分符合 TB/T２３４４－ ２０１２«４３kg/m~７５kg/m 鋼 軌 訂 貨 技 術(shù) 條 件»的 要求. 

１．３ 金相檢驗(yàn) 

在該 AT 鋼軌端部切?。磯K剖面試樣,取樣位 置如圖３b)所示.依據(jù) GB/T１５０６１－２００５«鋼中非 金屬夾雜物含量的測定———標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn) 法»對該鋼軌進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn),結(jié)果為:A０, B０,C０,D１,可見該 AT 鋼軌非金屬夾雜物較少,符 合技術(shù)要求,其 D類(球狀氧化物類)夾雜物形貌如 圖４所示.

用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精侵蝕后,該 AT 鋼 軌端部剖切面的宏觀形貌如圖５所示.由此４個剖 切面形貌可知,該 AT 鋼軌端部在壓型后經(jīng)過了２ 次感應(yīng)熱處理,第２次熱處理深度比第１次的淺,并 且距離壓型端部越近,兩次感應(yīng)熱處理的深度相差 就越大.由 剖 切 面 上 的 裂 紋 形 貌 可 知,裂 紋 面 與AT 鋼軌工作面基本平行,裂紋穿過了感應(yīng)熱處理 的熱影響區(qū)與母材或硬化區(qū)的過渡處. 

AT 鋼軌軌頂未見明顯脫碳,感應(yīng)熱處理硬化 區(qū)顯微組織為細(xì)珠光體＋斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體,未見馬 氏體、貝氏體等組織,如圖６所示.母材顯微組織為 細(xì)珠光體＋粗片狀珠光體,如圖７所示.剖切面４ 中位置 E,G 以及剖切面１中感應(yīng)熱處理熱影響區(qū) 的顯微組織為呈球化趨勢的珠光體,而且剖面１中 熱影響區(qū)的球化趨勢更加嚴(yán)重,如圖８和圖９所示.

１．４ 硬度測試 

對上述４個剖切面中各區(qū)域進(jìn)行硬度測試,取點(diǎn) 位置如圖５所示,硬度測試結(jié)果見表２.可見硬化層 處位置B的硬度滿足 TB/T１７９９－１９９３«道岔鋼軌件 淬火技術(shù)條件»中３２~４０HRC的要求;兩次感應(yīng)熱處理熱影響區(qū)重合區(qū)域的硬度最低,即位置 C處.

２ 分析與討論 

該 AT 鋼軌的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、脫碳層 等分析結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)要求因此該 AT 鋼軌的壓潰 和掉塊缺陷與母材質(zhì)量沒有直接關(guān)系.該鋼軌端部 的剖切面宏觀形貌、顯微組織和硬度測試結(jié)果說明, 該 AT 鋼軌端部過渡段及成型段上,存在著二次感應(yīng)加熱的痕跡,并且第二次加熱的深度要小于第一 次的,硬化層從過渡段到成型段經(jīng)歷了重合到分離 的過程.兩次感應(yīng)熱處理熱影響區(qū)重合區(qū)域的硬度 偏低,只有２３．８HRC.

熱影響區(qū)重合區(qū)域的顯微組織為趨于球化狀的 珠光體,這類組織的硬度低,切削性好,冷形變能力 強(qiáng).在共析轉(zhuǎn)變溫度以下長期加熱,片狀珠光體有 球化趨勢[２].感應(yīng)熱處理時熱影響區(qū)的溫度一般接 近或低于球化退火的溫度,在溫度較低的區(qū)域,部分 碳化物沒有溶解,保持原來的片狀珠光體形態(tài),部分 溶解的碳化物尺寸減小或片狀破斷,生成點(diǎn)狀珠光 體.在溫度稍高的區(qū)域,碳化物溶解相對充分,會形 成部分的球狀珠光體[３].兩次感應(yīng)加熱,使熱影響 區(qū)重合區(qū)的球狀、點(diǎn)狀、破斷的珠光體數(shù)量明顯增 多,從而 導(dǎo) 致 熱 影 響 區(qū) 重 合 區(qū) 的 硬 度、強(qiáng) 度 明 顯 下降. 

正常感應(yīng)熱處理的硬化層顯微組織如圖 ６ 所 示,為索氏體＋少量沿晶鐵素體,熱影響區(qū)為細(xì)片 狀、粗片狀、趨球化珠光體的混合組織,并且過渡均 勻.其能顯著提升鋼軌端部的硬度和強(qiáng)度,增強(qiáng)其 耐磨性和抗沖擊性,延長 AT 鋼軌的使用壽命.但 該 AT 鋼軌,經(jīng)過兩次感應(yīng)加熱后,在熱影響區(qū)的重 合區(qū)域硬度急劇下降,不但遠(yuǎn)低于硬化區(qū)硬度,也低 于母材硬度,使得該區(qū)域的硬度過渡不均勻.由于 該 AT 鋼軌端部淬火工藝不良,淬火區(qū)與非淬火區(qū) 硬度過渡不均勻,在列車載荷的多次作用下,該部分 產(chǎn)生壓陷,形成鋼軌接頭中間凸起,兩側(cè)凹下的鞍形 磨耗[４].

細(xì)珠光體、球狀珠光體和粗片狀珠光體之間的 強(qiáng)度和塑性不同,造成硬化層與熱影響區(qū)交界處組 織的應(yīng)力波動,加之鋼軌工作邊圓角處本就受較大 的剪切應(yīng)力[５],在該剪切應(yīng)力的作用下于應(yīng)力波動 處萌生裂紋,并在剪切應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)展[６],也就 是說微裂紋將在這兩類組織的過渡處起始并發(fā)展.由圖５可知,裂紋均穿過了感應(yīng)熱處理的熱影響區(qū) 與母材或硬化區(qū)的過渡處,在較大的交變應(yīng)力下通 過強(qiáng)度最低的熱影響區(qū),擴(kuò)展到 AT 鋼軌端部的側(cè) 面,最終產(chǎn)生壓潰.壓潰后,該 AT 鋼軌端部表面出 現(xiàn)不平整現(xiàn)象,這些不平整將增大車輪對鋼軌的沖 擊作用,在輪軌之間重復(fù)滾動載荷作用下,鋼軌內(nèi)部 由于塑性而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力/應(yīng)變將逐漸累加[７],最 終導(dǎo)致了該 AT 鋼軌端部的掉塊. 

３ 結(jié)論及建議 

該 AT 鋼軌端部經(jīng)過兩次感應(yīng)熱處理,使得熱 影響區(qū)重合區(qū)域的球狀、點(diǎn)狀、破斷的珠光體數(shù)量較 多,導(dǎo)致該區(qū)域的硬度、強(qiáng)度偏低,且硬度過渡不均 勻,最終引起該 AT 鋼軌端部的壓潰和掉塊.

由于鋼軌感應(yīng)熱處理是 AT 鋼軌生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重 點(diǎn)工序,建議加強(qiáng)感應(yīng)熱處理過程監(jiān)控,嚴(yán)格執(zhí)行工 藝,避免重復(fù)熱處理.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)