李二勇,王 建,張奕梁
(深圳市帆泰檢測(cè)技術(shù)有限公司,深圳 ５１８０５５)
摘 要:采用化學(xué)成分分析、斷口宏觀和微觀分析、金相分析、硬度測(cè)試等方法,對(duì)某地鐵鋼軌軌腰位置發(fā)生開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:焊瘤表面質(zhì)量差、焊縫中心存在網(wǎng)狀鐵素體以及基材非金屬夾雜物含量超標(biāo)等因素,導(dǎo)致鋼軌在軌腰位置于外力作用下發(fā)生一次性脆性開(kāi)裂.最后針對(duì)鋼軌開(kāi)裂原因提出了改進(jìn)措施.
關(guān)鍵詞:軌腰;焊縫缺陷;網(wǎng)狀鐵素體;夾雜物;脆性開(kāi)裂
中圖分類(lèi)號(hào):U２１４．８＋１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０４４９Ｇ０４
收稿日期:２０１６Ｇ０５Ｇ１１
FailureAnalysisonCrackingofaMetroRailWaist
LIEryong,WANGJian,ZHANGYiliang
(ShenzhenFantaiTestTechnologyCo．,Ltd．,Shenzhen５１８０５５,China)
Abstract:By meansofchemicalcompositionanalysis,macroand microfractureanalysis,metallographicanalysis,hardnesstestandsoon,thecrackingreasonsofametrorailattherailwaistwereanalyzed．Theresultsshowthatthepoorweldbeadsurfacequality,theexistenceofnetferriteintheweldcenterandtheexcessivenonＧ
metallicinclusionsinthebasemetal,causedbrittlecrackingoftherailattherailwaistundertheactionofexternalstress．Finally,theimprovementmeasureswereputforwardaccordingtothecausesoftherailcracking．
Keywords:railwaist;welddefect;reticularferrite;inclusion;brittlecracking
地鐵軌道某段運(yùn)行２a(年)左右,在日常檢查中發(fā)現(xiàn)某處軌腰出現(xiàn)平行于軌頭踏面的裂紋,且裂紋已經(jīng)貫穿軌腰寬度,如圖１和圖２所示.鋼軌材料為 U７５V 軌道鋼,軌道所處隧道溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)正常.鋼軌閃光焊后無(wú)損檢測(cè)及日常無(wú)損檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)焊瘤處有明顯裂紋.為查明鋼軌開(kāi)裂原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 化學(xué)成分分析
采用化學(xué)元素分析法對(duì)失效鋼軌進(jìn)行元素組成分析,結(jié)果如表１所示,根據(jù) GB２５８５－２００７«鐵路用熱軋鋼軌»可知,該鋼軌符合 U７５V鋼軌成分要求.
１．２ 宏觀分析
沿已開(kāi)裂裂紋將失效鋼軌打開(kāi)形成斷口試樣，由圖３可見(jiàn),斷口宏觀塑性變形不明顯,斷口表面氧化較嚴(yán)重,分布有明顯的輻射紋和人字紋,此為裂紋快速擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生的.裂紋自軌腰高度１/２處向兩側(cè)擴(kuò)展,形成的斷口平行于軌頭踏面.輻射紋起源于圖３中位置A(焊瘤表面),隨后向下以及左右兩側(cè)擴(kuò)展,并在兩側(cè)形成人字紋.
１．３ 斷口微觀分析
采用掃描電鏡(SEM)對(duì)鋼軌斷口表面微觀形貌進(jìn)行觀察,觀察之前先對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗和吹干.由圖４可見(jiàn),裂紋源即圖３中位置 A(焊瘤表面)的斷口微觀形貌存在孔洞和裂紋等焊接缺陷.
由圖５可見(jiàn),圖３中位置 A 和 B的交界處斷口微觀形貌主要為解理、韌窩及二次裂紋.由圖 ６ 可見(jiàn),圖３中位置 B~D斷口微觀形貌均主要為解理.
分別在圖７和圖８所示兩個(gè)斷口試樣上沿平行于斷口方向截取剖面試樣,分別編號(hào)為１號(hào)和２號(hào)試樣,磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察.圖９為１號(hào)試樣低倍組織形貌,可見(jiàn)焊縫組織非常粗大.對(duì)１號(hào)試樣放大后觀察可見(jiàn),圖９中位置 E和位置 F(焊瘤表面)存在較多的孔洞、微裂紋及沿軋制方向平行分布的夾雜物,如圖１０所示.侵蝕后觀察可見(jiàn)焊縫區(qū)顯微組織主要為珠光體和少量鐵素體,晶粒粗大,鐵素體呈網(wǎng)狀分布,尤其是在焊縫中心位置,鐵素體已經(jīng)形成連續(xù)網(wǎng)狀,如圖１１所示.鋼軌軌腰側(cè)面表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象,脫碳層深度約為１００μm,如圖１２所示.
對(duì)２號(hào)試樣拋光態(tài)形貌進(jìn)行觀察可見(jiàn),焊瘤表面同樣存在較多的孔洞和微裂紋,如圖１３所示.侵蝕后觀察可見(jiàn),顯微組織同樣為珠光體和呈網(wǎng)狀分布的鐵素體,如圖１４所示.
１．５ 硬度測(cè)試
對(duì)圖９中所示 H１~H５ 共５處位置進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表２所示,可以發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)域的硬度明顯低于兩側(cè)熱影響區(qū)及基材的.
２ 分析與討論
由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,鋼軌焊縫兩側(cè)基材化學(xué)成分符合 GB２５８５－２００７對(duì) U７５V 軋道鋼的技術(shù)要求.鋼軌基材中存在大量的粗系硫化錳夾雜物,且部分夾雜物長(zhǎng)度超出視場(chǎng)評(píng)定范圍,實(shí)際評(píng)定夾雜物含量超出 GB２５８５－２００７技術(shù)要求,較多大尺寸夾雜物會(huì)嚴(yán)重割裂材料基體連續(xù)性,大大降低鋼軌材料的強(qiáng)度、塑性和韌性.鋼軌基材顯微組織為珠光體和少量鐵素體;焊縫區(qū)域晶粒粗大,且在焊縫中心存在連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體,連續(xù)網(wǎng)狀鐵素體的存在同樣會(huì)割裂金屬基體連續(xù)性,大大降低鋼軌材料的強(qiáng)度、塑 性 和 韌 性.軌 腰 側(cè) 面 脫 碳 層 深 度 小 于０．５mm,符合 GB２５８７－２００７技術(shù)要求.焊縫中心區(qū) 域硬度明顯低于其他區(qū)域的,可推知焊縫中心強(qiáng)度遠(yuǎn)低于基材強(qiáng)度.從宏觀斷口上的人字紋方向推知,鋼軌開(kāi)裂起源于軌腰一側(cè)的焊瘤表面,該區(qū)焊縫表層中存在孔洞和微裂紋等焊接缺陷,導(dǎo)致該處形成應(yīng)力集中,容易萌生裂紋源.斷口主要微觀特征為解理和少量韌窩,表明鋼軌開(kāi)裂模式為外力作用下的一次性脆性開(kāi)裂。
３ 結(jié)論及建議
該地鐵鋼軌軌腰裂紋為在較高水平外力作用下,由焊瘤表面缺陷處萌生的微裂紋迅速擴(kuò)展形成的一次性脆性開(kāi)裂;導(dǎo)致鋼軌開(kāi)裂的主要原因是鋼軌焊縫焊瘤表面存在孔洞及微裂紋等缺陷,焊縫組織粗大且鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀分布,以及鋼軌基材夾雜物含量嚴(yán)重超標(biāo)。
對(duì)于正在服役的其他鋼軌,建議如下:①通過(guò)機(jī)械研磨方法消除軌腰焊瘤表層的焊接缺陷,研磨后再次進(jìn)行超聲波檢測(cè);②加強(qiáng)軌道鋼原材料質(zhì)量控制,嚴(yán)格控制非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài);③對(duì)現(xiàn)有焊縫位置進(jìn)行正火處理,以消除網(wǎng)狀鐵素體并細(xì)化晶粒。
（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化試驗(yàn)-物理分冊(cè)）