地鐵線路鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損原因分析

鄭建國，周劍華，費(fèi)俊杰，朱 敏，王瑞敏

（寶鋼股份中央研究院武漢分院，湖北武漢 430080）

0 引言

地鐵線路具有彎道多、曲線半徑小、駐車及啟動頻繁、采用直流動力電、隧道環(huán)境復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，尤其在南方地區(qū)，隧道內(nèi)潮濕、漏水路段較多。地鐵環(huán)境的復(fù)雜多樣造成鋼軌在使用過程中表現(xiàn)出的傷損類型與國鐵線路用鋼軌存在差異，甚至不同城市的地鐵由于地質(zhì)環(huán)境、運(yùn)載負(fù)荷、軌道結(jié)構(gòu)等條件的不同，鋼軌傷損的類型也不完全相同。鋼軌出現(xiàn)傷損造成維護(hù)及更換任務(wù)工作量大、耗時長、費(fèi)用高，而且影響了地鐵線路的正常安全運(yùn)營，縮短鋼軌及車輪的使用壽命，嚴(yán)重的甚至危及行車安全[1]。某地鐵線路鋼軌使用?1.5～2.5?年后，有些路段鋼軌表面陸續(xù)產(chǎn)生橫向裂紋，并迅速發(fā)展成大掉塊，這種傷損在國鐵線路用鋼軌上很少出現(xiàn)。為此，本文跟蹤調(diào)查了線路環(huán)境，在傷損鋼軌上取樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)，分析掉塊傷損形成的原因，并提出預(yù)防措施。

1 鋼軌表面?zhèn)麚p宏觀特征

鋼軌表面橫向裂紋及掉塊在地鐵線路的直線段和曲線段均會出現(xiàn)，特征形貌見圖?1。傷損發(fā)展初期表現(xiàn)為在鋼軌表面連續(xù)密集的橫向裂紋，經(jīng)車輪碾壓后繼續(xù)發(fā)展，裂紋處會出現(xiàn)掉塊，長度可達(dá)到?30??mm，深度約為2～3??mm。另外，發(fā)生踏面橫向裂紋及掉塊傷損的鋼軌均位于隧道內(nèi)滲水、漏水路段，鋼軌表面長期潮濕。地鐵鋼軌表面橫向裂紋及掉塊與國鐵用鋼軌的魚鱗傷、剝離掉塊相比，有以下特點(diǎn)：

（1）地鐵鋼軌表面裂紋和掉塊會在直線段出現(xiàn)，而國鐵線路上直線段鋼軌的使用狀態(tài)較好，表面光亮，極少出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象；

（2）地鐵鋼軌表面裂紋和掉塊傷損沿著鋼軌表面橫向發(fā)展，而國鐵線路鋼軌的魚鱗紋和剝離掉塊一般出現(xiàn)在軌距角，與行車方向角度約為?45°[2]。

2 傷損鋼軌檢驗(yàn)分析

某地鐵線路直線段鋪設(shè)?60??kg/m?U75V?鋼軌，運(yùn)行?2年后在鋼軌表面出現(xiàn)多處掉塊傷損。該段鋼軌下道后，取傷損的典型部位進(jìn)行檢驗(yàn)分析，對鋼軌傷損及正常部位的金相組織、顯微硬度、化學(xué)成分和拉伸性能等項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損

2.1 宏觀形貌

鋼軌試樣表面存在橫向裂紋及部分已形成的剝離掉塊傷損，分別以試樣的橫、縱向作為觀察面進(jìn)行金相顯微觀察，宏觀形貌見圖?2。

圖2 傷損鋼軌宏觀形貌

圖3 鋼軌傷損處裂紋

2.2 顯微組織分析

（1）對鋼軌傷損位置進(jìn)行顯微觀察，結(jié)果見圖?3。由圖?3?可知，試樣裂紋缺陷部位未觀察到聚集分布的大型夾雜物，在裂紋內(nèi)有淺灰色產(chǎn)物，該灰色產(chǎn)物為氧化銹蝕形成。

（2）金相試樣經(jīng)?3%?的酒精腐蝕后，可觀察到鋼軌傷損處及周圍的組織為珠光體及少量鐵素體，與鋼軌正常部位的組織相同。在掉塊的邊緣部分具有破碎塊狀及裂紋，這是典型的剝離掉塊形貌特征（圖?4a），而且在掉塊附近有碾壓的塑性變形特征，裂紋走向與塑性變形方向一致（圖?4b），鋼軌正常部位組織為珠光體加少量鐵素體（圖?4c）。

圖4 鋼軌傷損處金相組織

2.3 顯微硬度分析

對鋼軌傷損部位及附近基體的橫斷面顯微硬度進(jìn)行測量，測試點(diǎn)間隔為?0.2??mm，結(jié)果見圖?5。由圖?5?可見，鋼軌表面位置存在明顯塑性變形，加工硬化較為明顯，硬度達(dá)到?364??HV，內(nèi)部基體硬度約為?280～290??HV。

圖5 傷損部位顯微硬度

2.4 鋼軌母材檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分。在鋼軌軌頭標(biāo)準(zhǔn)要求部位，采用直讀光譜儀進(jìn)行成品化學(xué)成分及殘留元素檢驗(yàn)，結(jié)果見表?1?和表?2。由表?1、表?2?可知，化學(xué)成分及殘留元素含量符合TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求。

（2）力學(xué)性能。按?TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求取樣進(jìn)行鋼軌拉伸性能檢測，結(jié)果見表?3。由表?3?可見，鋼軌軌頭平均抗拉強(qiáng)度Rm為?1??023??MPa，斷后伸長率A為?12.0%，均滿足?TB/T?2344-2012《43??kg?/?m～75??kg?/?m?鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求。

從以上檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且裂紋傷損處未見大型夾雜物，該傷損與鋼軌性能應(yīng)無直接關(guān)系。

表1 鋼軌化學(xué)成分 %

表2 鋼軌殘留元素 %

表3 鋼軌室溫拉伸性能

3 傷損產(chǎn)生原因分析

3.1 裂紋萌生

鋼軌在列車行駛過程中受到軸重、導(dǎo)向力以及縱向和橫向摩擦力的綜合作用，輪軌接觸面約為?100??mm2，鋼軌承受的載荷力約為?50～200??kN，在鋼軌接觸面上產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力[3]。鋼軌在高應(yīng)力，尤其是高的剪切應(yīng)力作用下，會發(fā)生應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)的棘輪效應(yīng)[4]。在棘輪效應(yīng)作用下，鋼軌表層金屬塑性變形不斷積累，材料不斷發(fā)生硬化，鋼軌表層硬度明顯增高，達(dá)到?364??HV（圖?5），較內(nèi)部基體硬度（280～290??HV）提高?25%?以上。當(dāng)材料的塑性完全耗竭時，就會在鋼軌表面塑性變形層萌生微裂紋。

3.2 裂紋擴(kuò)展

微裂紋萌生后，經(jīng)歷擴(kuò)展階段、裂紋和磨耗共存階段及磨耗控制裂紋階段[5]。在這?3?個階段，裂紋的發(fā)展與鋼軌的磨耗相互抑制，若鋼軌磨耗速度大于裂紋發(fā)展速度，萌生的裂紋被逐步磨掉，不會進(jìn)一步發(fā)展。相反，若鋼軌磨耗速度小于裂紋發(fā)展速度，萌生的裂紋會逐步擴(kuò)展。鋼軌的磨耗速度與輪軌之間的摩擦系數(shù)有直接關(guān)系。一般來說，鋼軌表面干燥、清潔時，輪軌之間的摩擦系數(shù)在?0.25～0.4?合理范圍之內(nèi)，此時直線段鋼軌裂紋擴(kuò)展速度與磨耗速度相當(dāng)，萌生裂紋的表層會被磨損掉，不會進(jìn)一步擴(kuò)展。

從現(xiàn)場觀察的情況來看，發(fā)生踏面橫向裂紋及掉塊傷損的鋼軌均位于隧道內(nèi)滲水、漏水路段，鋼軌表面長期潮濕，見圖?1。在鋼軌表面潮濕的情況下，輪軌之間的摩擦系數(shù)會大大降低，一般在?0.05～0.1?之間，甚至更低[6]，造成鋼軌磨耗速度低于裂紋的擴(kuò)展速度，萌生裂紋向鋼軌內(nèi)部擴(kuò)展。

3.3 裂紋發(fā)展

當(dāng)裂紋擴(kuò)展形成微裂紋后，又因鋼軌表面長期潮濕，輪軌接觸表面上的液體（如雨水、油等）侵入裂紋中，裂紋內(nèi)部積聚水分，鋼軌表面發(fā)生微量塑性形變，含有水分的裂紋被折疊成封閉的孔隙，在外部壓力作用下，由于液體的擠壓效應(yīng)（圖?6），裂紋擴(kuò)展強(qiáng)度因子比干燥情況下增大了?7～8?倍，產(chǎn)生一種類似于炸裂的效果，加速裂紋的發(fā)展，并且發(fā)展深度比干燥環(huán)境下大很多。當(dāng)裂紋發(fā)展到一定深度，裂紋出現(xiàn)二次分叉，二次分叉裂紋有些會向上發(fā)展（圖?3a），向上的裂紋發(fā)展到鋼軌表面就會導(dǎo)致剝離掉塊。這與出現(xiàn)圖?1a?中的踏面橫向裂紋后，鋼軌表面會快速形成橫向掉塊情況相吻合。

圖6 裂紋中液體的擠壓效應(yīng)

4 改善措施

通過以上分析，可以得出鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損是一種滾動接觸疲勞傷損，其產(chǎn)生的原因主要是由于鋼軌表面長期處于潮濕狀態(tài)，輪軌之間的摩擦系數(shù)變小，造成在鋼軌表面塑性變形層內(nèi)微裂紋萌生后的發(fā)展速度大于鋼軌磨耗速度，裂紋向鋼軌內(nèi)部擴(kuò)展。同時由于液體侵入裂紋內(nèi)，形成擠壓效應(yīng)，加速裂紋的發(fā)展，從而在地鐵直線或曲線段鋼軌表面形成橫向裂紋并快速發(fā)展成掉塊傷損。

針對以上原因，可采取以下措施預(yù)防和減輕鋼軌掉塊傷損的危害：

（1）在疲勞裂紋發(fā)展初期，及時對鋼軌表面進(jìn)行預(yù)防性打磨，抑制鋼軌表面微裂紋的發(fā)展或去除鋼軌表面微裂紋；

（2）地鐵隧道內(nèi)滲漏水地段，采用排、堵等措施，保持鋼軌運(yùn)行環(huán)境的干燥。

5 結(jié)論

（1）地鐵線路鋼軌表面橫向裂紋及掉塊是一種滾動接觸疲勞傷損，主要由于鋼軌表面長期處于潮濕狀態(tài)，輪軌之間的摩擦系數(shù)變小，造成鋼軌表面微裂紋萌生后的發(fā)展速度大于鋼軌磨耗速度，同時液體侵入裂紋內(nèi)形成擠壓效應(yīng)，加速裂紋發(fā)展而形成。

（2）在裂紋發(fā)展初期對鋼軌進(jìn)行預(yù)防性打磨，并保持地鐵環(huán)境的干燥，可有效預(yù)防和減輕鋼軌表面橫向裂紋及掉塊傷損的產(chǎn)生和發(fā)展。