鋼軌彈條腐蝕疲勞斷裂研究

張彥文，吳立新，王志奮，許竹桃

（武鋼研究院，湖北武漢430080）

鋼軌彈條腐蝕疲勞斷裂研究

張彥文，吳立新，王志奮，許竹桃

（武鋼研究院，湖北武漢430080）

鋼軌固定用彈條使用兩年左右后發(fā)生斷裂，斷裂彈條用于隧道內(nèi)，環(huán)境比較潮濕。為弄清斷裂原因，通過宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗等方法對斷裂彈條進行了分析。結果表明：環(huán)境酸性較強，彈條銹蝕嚴重，銹蝕產(chǎn)物中探測到少量Cl、S元素；斷裂起源于彈條對稱內(nèi)弧拉應力最大部位，斷裂源銹蝕更為嚴重，局部形成尖銳縫隙，擴展區(qū)疲勞貝紋線明顯，彈條斷裂屬腐蝕疲勞開裂?？赏ㄟ^使用抗腐蝕性能較強的材料，適當提高材料回火溫度，表面熱鍍鋅以及降低彈條使用年限等措施來預防。

腐蝕疲勞斷裂；斷裂源；銹蝕；回火馬氏體

1 概況

某鐵路技術有限公司一組鋼軌固定用彈條（56SiCr7，歐洲標準）在使用兩年左右后發(fā)生斷裂，使用時間遠低于設計使用壽命。該彈條位于鐵路隧道段，隧道內(nèi)較潮濕，斷裂彈條現(xiàn)場照片見圖1。彈條設計化學成分見表1。

熱處理工藝為860℃油淬，回火溫度450℃，彈條直徑15mm?？估瓘姸龋? 500～1 800 MPa；屈服強度：1 350 MPa；伸長率6%；面收縮率25%；沖擊功14 J。受該公司委托，對斷裂彈條進行了相關分析。

表1 彈條化學成分Tab.1Chemical composition of fastening/%

圖1 現(xiàn)場斷裂彈條宏觀照片F(xiàn)ig.1Macrograph of cracked fastening at job site

2 宏觀觀察

一組送檢斷裂彈條見圖2。均未見明顯塑性變形，且彈條銹蝕嚴重，表層銹層較厚且很疏松，輕輕一碰，就有大量銹蝕產(chǎn)物剝落。彈條表面局部可見少量殘存的紅色防銹漆。根據(jù)斷裂紋路走向可知，斷裂部位均位于彈條對稱弧形部位。選取一件銹蝕相對較輕微的斷口觀察，斷口低倍形貌見圖3，可見斷裂起源于彈條內(nèi)弧表面拉應力最大處，斷面無明顯頸縮。同時，也可見兩條明顯貝紋線，以斷裂源為圓心，向彈條內(nèi)部擴展。彈條銹蝕嚴重，彈條有效截面積必然會因銹蝕減小，承載力也隨之下降。

圖2 送檢斷裂彈條宏觀照片F(xiàn)ig.2Macrograph of cracked fastening for analysis

圖3 斷口宏觀照片F(xiàn)ig.3Macrograph of section

3 掃描電鏡及能譜儀分析

經(jīng)酒精超聲清洗后觀察，圖3所示斷裂源放大見圖4，可見斷裂起源于盤條表面銹蝕部位，該部位受較大拉應力。彈條完全斷裂前，存在明顯疲勞擴展，雖然表面發(fā)生一定程度銹蝕，仍可分辨出部分貝紋線，見圖4。斷裂源能譜分析見圖5，定量結果見表2。除含有較多Fe、O元素外，還含有少量的Cl、Si元素。

圖4 斷裂源Fig.4Fracture origin

圖5 斷裂源成分分析Fig.5Composition analysis at fracture origin

表2 斷裂源定量成分Tab.2Quantitative composition of fracture origin/%

用除銹劑經(jīng)部分除銹處理后斷裂源低倍形貌見圖6，可見當斷面其他部位銹跡基本除去干凈，斷裂源部位仍有較多殘余，這也說明了該部位為先期斷裂，銹蝕時間更長。除銹后，擴展區(qū)貝紋線段更加明顯。斷面微觀形貌主要為韌窩+少量解理特征，見圖7，兩次擴展區(qū)域截面附近可見少量沿晶特征，見圖8。

圖6 斷裂源部分除銹后低倍形貌Fig.6Macroscopic examination of fracture origin after rust removal partly

圖7 韌窩+少量解理特征Fig.7Dimple+cleavage character

圖8 沿晶特征Fig.8Intergranular character

圖9 彈條側面能譜分析Fig.9Composition analysis at fastening side face

彈條正常部位表面亦存在大量疏松銹層，彈條側面形貌及能譜見圖9，定量結果見表3。除Fe、O等元素外，還探測到少量Cl、S及Si元素。

平行斷面磨制拋光截面，對應斷裂源的截面形貌見圖10、圖11，可見表層參差不齊，銹蝕較深，局部形成尖銳縫隙及點狀腐蝕。正常部位（遠離斷裂源）表層截面形貌見圖12、圖13，亦可見較厚銹層，局部形成腐蝕坑，深入基體超過1.3 mm。斷裂源部位及正常部位銹層局部成分分析見圖14、圖15，定量結果見表4、表5。除Fe、O元素外，還探測到少量Cl、S等元素峰。

表3 彈條側面定量成分Tab.3Quantitative composition of fastening side face/%

圖10 斷裂源拋光截面形貌Fig.10Appearance of polished section at fracture origin

圖11 圖10局部放大Fig.11Partial magnificatin of Fig.10

圖12 正常部位表層橫截面形貌Fig.12Appearance of polished cross-section at nomal surface

圖13 正常部位腐蝕坑Fig.13Pitting at nomal surface

彈條對稱內(nèi)弧部位受拉應力最大，該部位銹蝕最嚴重，銹層更深，形成一些尖銳縫隙，縫隙尖端受力時必然產(chǎn)生應力集中，當應力超過材料的承受能力時，就會萌生裂紋，成為斷裂源，裂紋擴展最終導致彈條斷裂失效。從以上分析可知，彈條的斷裂是由應力與環(huán)境腐蝕共同作用的結果，屬腐蝕疲勞斷裂［1］。腐蝕疲勞是金屬材料在循環(huán)應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂，是結構、零件失效的主要原因之一［2］。

圖14 斷裂源附近截面銹層能譜分析Fig.14Energy spectrum analysis of sectional rusty layer near fracture origin

圖15 正常部位銹層截面能譜分析Fig.15Energy spectrum analysis of sectional rusty layer at normal surface

4 光學顯微分析

在斷裂源部位、遠離斷口部位取縱、橫截面金相樣在光學顯微鏡下觀察。斷口附近未觀察到聚集分布的夾雜物及高溫氧化特征?；w夾雜物級別為A1、B2.5s（1 623 μm），見圖16、圖17。拋光面經(jīng)試劑浸蝕后觀察，試樣中心存在白亮偏析條帶，見圖18、圖19；斷口附近組織及正常位組織相同，均為回火馬氏體，見圖20、圖21。

表4 斷裂源附近截面銹層定量成分Tab.4Quantitative composition of sectional rustylayer near fracture origin /%

表5 正常部位銹層截面定量成分Tab.5Quantitative composition of sectional rusty layer at normal surface /%

圖16 鏈狀夾雜物形貌Fig.16Chain inclusion appearance

圖17 長條狀夾雜物形貌Fig.17Stripe inclusion appearance

圖18 心部偏析帶Fig.18Segregated zone at core

圖19 心部偏析帶高倍放大Fig.19Segregated zone high magnified image at core

圖20 腐蝕坑部位組織Fig.20Structure near pitting

圖21 正常部位組織Fig.21Structure at nomal place

彈條斷裂源、斷口附近及正常部位組織均為回火馬氏體，無明顯異常，因此熱處理工藝屬正常。材料中局部夾雜物較多，以及彈條中心偏析，也降低了彈條的抗腐蝕性能及承載力。

5 效果

針對以上分析，該鐵路技術有限公司選擇優(yōu)質(zhì)鋼材作為制作彈條的原材料，改進熱處理工藝，并對彈條進行熱鍍鋅處理，使用后未再發(fā)生嚴重銹蝕現(xiàn)象，至今也未出現(xiàn)彈條腐蝕疲勞斷裂。

6 討論

大氣環(huán)境中的腐蝕一般屬于電化學腐蝕，通常，金屬在干燥大氣中的腐蝕速度較慢，濕度大時，腐蝕速度增加，金屬的臨界相對濕度在70%左右，但如果環(huán)境中含有大量工業(yè)氣體、易吸濕的鹽類、腐蝕產(chǎn)物及灰塵時，臨界相對濕度會降低很多［3］。銹蝕產(chǎn)物中探測到Cl、S元素，說明環(huán)境酸性較強，且因隧道內(nèi)很潮濕，必然彈條的銹蝕速度比中性及干燥環(huán)境更快，因為碳鋼及低合金鋼對酸性環(huán)境比較敏感［3］；文獻［4］認為，pH值在4以下時，腐蝕疲勞壽命顯著降低。在污染大氣的雜質(zhì)中，SO2影響最為嚴重，大氣中的SO2含量很低，但它在水中的溶解度比氧高1 300倍，大大加速鋼鐵的腐蝕；HCl、H2S在潮濕的大氣中，對鋼鐵的腐蝕破壞也很大［5-7］。

為了防止彈條早期斷裂，可采取以下措施：選擇抗腐蝕性能較強的材料制作彈條；彈條屬于中碳鋼，適當提高回火溫度也可明顯改善其抗應力腐蝕能力［4］；采用熱鍍鋅取代表面油漆涂覆，因為鋅對鋼是陽極性鍍層，更耐大氣腐蝕；降低隧道內(nèi)彈條使用年限，在彈條斷裂前及時更換。

7 結論

隧道內(nèi)較潮濕，且環(huán)境酸性較強，造成彈條銹蝕較快。彈條內(nèi)弧拉應力，也加速了彈條的銹蝕，并產(chǎn)生銹蝕縫隙，縫隙尖端存在應力集中，成為最初斷裂起源。裂紋源在拉應力及環(huán)境銹蝕的共同作用下，不斷擴展，最終導致彈條疲勞斷裂失效?？赏ㄟ^使用抗腐蝕性能較強的材料，適當提高材料回火溫度，表面熱鍍鋅以及降低彈條使用年限等措施來預防。

（References）

［1］孫智，江利，應展鵬，等.失效分析—基礎與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：119-128.

［2］王正，王志奇.腐蝕疲勞裂縫擴展的韌帶模型［J］.中國腐蝕與防護學報，1996，16（3）：161-167.

［3］秦泗平，孫文濤，羅小斌.MDEA再生塔腐蝕失效分析及維修［J］.石油化工設備，2009，38（5）：104-107.

［4］黃永昌，張建旗.現(xiàn)代材料腐蝕與防護［M］.上海：上海交通大學出版社，2012：116-120.

［5］張培訓，韓文靜.0Cr18Ni9鋼連接螺栓斷裂分析［J］.鑄造技術，2013，34（7）：842-844.

［6］原徐杰，張俊喜，李獻武，等.電力輸電桿塔用鍍鋅鋼在污染環(huán)境中的腐蝕行為研究［J］.腐蝕科學與防護技術，2013，25（1）：13-18.

［7］張世紅，劉朝，崔磊.幾種因素對帶繡鋼鐵腐蝕行為的影響［J］.廣州化工，2012，4（3）：10-11.

（責任編輯：陳曠）

Corrosion Fatigue Cracking Research of Rail Fastenings

ZHANG Yanwen，WU Lixin，WANG Zhifen，XU Zhutao
（Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel Company，Wuhan 430080，Hubei，China）

The rail fastenings fractured when they were used in a humid tunnel about two years.The fracture reasons were analysed with means of macroscopical observation，scanning electronic micro?scope and X ray energy spectrometer，metallography microscope and so on.The result shows that environment is stronger acid and the fastenings are seriously rusty，a small quantity of Cl and S ele?ment is detected in the corrosion.The fracture origin lies in the symmetric inner arc where the tensile stress is ultimate and the narrow gap happened because of serious corrosion.The shell pattern is ap?parent，so the fastenings failure belongs to corrosion fatigue cracking.It can be prevented by using better corrosion resistance steel，increasing tempering temperature properly，hot galvanizing and re?ducing the fastenings serviceable life.

corrosion fatigue cracking；fracture origin；corrosion；tempered martensite

TG178

A

1673-0143（2014）03-0057-06

2014-04-02

張彥文（1972—），男，博士生，研究方向：金屬材料失效分析。