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(guò)宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)斷裂彈條進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：環(huán)境酸性較強(qiáng)，彈條銹蝕嚴(yán)重，銹蝕產(chǎn)物中探測(cè)到少量Cl、S元素；斷裂起源于彈條對(duì)稱內(nèi)弧拉應(yīng)力最大部位，斷裂源銹蝕更為嚴(yán)重，局部形成尖銳縫隙，擴(kuò)展區(qū)疲勞貝紋線明顯，彈條斷裂屬腐蝕疲勞開(kāi)裂?？赏ㄟ^(guò)使用抗腐蝕性能較強(qiáng)的材料，適當(dāng)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(lái)預(yù)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(shù)有限公司一組鋼軌固定用彈條（56SiCr7，歐洲標(biāo)準(zhǔn)）在使用兩年左右后發(fā)生斷裂，使用時(shí)間遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)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(chǎng)照片見(jiàn)圖1。彈條設(shè)計(jì)化學(xué)成分見(jiàn)表1。

熱處理工藝為860℃油淬，回火溫度450℃，彈條直徑15mm?？估瓘?qiáng)度：1 500～1 800 MPa；屈服強(qiáng)度：1 350 MPa；伸長(zhǎng)率6%；面收縮率25%；沖擊功14 J。受該公司委托，對(duì)斷裂彈條進(jìn)行了相關(guān)分析。

表1 彈條化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of fastening/%

圖1 現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)圖2。均未見(jiàn)明顯塑性變形，且彈條銹蝕嚴(yán)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(jiàn)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(duì)稱弧形部位。選取一件銹蝕相對(duì)較輕微的斷口觀察，斷口低倍形貌見(jiàn)圖3，可見(jiàn)斷裂起源于彈條內(nèi)弧表面拉應(yīng)力最大處，斷面無(wú)明顯頸縮。同時(shí)，也可見(jiàn)兩條明顯貝紋線，以斷裂源為圓心，向彈條內(nèi)部擴(kuò)展。彈條銹蝕嚴(yán)重，彈條有效截面積必然會(huì)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(jiàn)圖4，可見(jiàn)斷裂起源于盤條表面銹蝕部位，該部位受較大拉應(yīng)力。彈條完全斷裂前，存在明顯疲勞擴(kuò)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(jiàn)圖4。斷裂源能譜分析見(jiàn)圖5，定量結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)圖6，可見(jiàn)當(dāng)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(shuō)明了該部位為先期斷裂，銹蝕時(shí)間更長(zhǎng)。除銹后，擴(kuò)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(jiàn)圖7，兩次擴(kuò)展區(qū)域截面附近可見(jiàn)少量沿晶特征，見(jiàn)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(cè)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(cè)面形貌及能譜見(jiàn)圖9，定量結(jié)果見(jiàn)表3。除Fe、O等元素外，還探測(cè)到少量Cl、S及Si元素。

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

表3 彈條側(cè)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(duì)稱內(nèi)弧部位受拉應(yīng)力最大，該部位銹蝕最嚴(yán)重，銹層更深，形成一些尖銳縫隙，縫隙尖端受力時(shí)必然產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的承受能力時(shí)，就會(huì)萌生裂紋，成為斷裂源，裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致彈條斷裂失效。從以上分析可知，彈條的斷裂是由應(yīng)力與環(huán)境腐蝕共同作用的結(jié)果，屬腐蝕疲勞斷裂［1］。腐蝕疲勞是金屬材料在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂，是結(jié)構(gòu)、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(xué)顯微分析

在斷裂源部位、遠(yuǎn)離斷口部位取縱、橫截面金相樣在光學(xué)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(jí)別為A1、B2.5s（1 623 μm），見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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?yuàn)A雜物形貌Fig.16Chain inclusion appearance

圖17 長(zhǎng)條狀?yuàn)A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(wú)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(duì)以上分析，該鐵路技術(shù)有限公司選擇優(yōu)質(zhì)鋼材作為制作彈條的原材料，改進(jìn)熱處理工藝，并對(duì)彈條進(jìn)行熱鍍鋅處理，使用后未再發(fā)生嚴(yán)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(xué)腐蝕，通常，金屬在干燥大氣中的腐蝕速度較慢，濕度大時(shí)，腐蝕速度增加，金屬的臨界相對(duì)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(shí)，臨界相對(duì)濕度會(huì)降低很多［3］。銹蝕產(chǎn)物中探測(cè)到Cl、S元素，說(shuō)明環(huán)境酸性較強(qiáng)，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?yàn)樘间摷暗秃辖痄搶?duì)酸性環(huán)境比較敏感［3］；文獻(xiàn)［4］認(rèn)為，pH值在4以下時(shí)，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(yán)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(duì)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(qiáng)的材料制作彈條；彈條屬于中碳鋼，適當(dāng)提高回火溫度也可明顯改善其抗應(yīng)力腐蝕能力［4］；采用熱鍍鋅取代表面油漆涂覆，因?yàn)殇\對(duì)鋼是陽(yáng)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(shí)更換。

7 結(jié)論

隧道內(nèi)較潮濕，且環(huán)境酸性較強(qiáng)，造成彈條銹蝕較快。彈條內(nèi)弧拉應(yīng)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(yīng)力集中，成為最初斷裂起源。裂紋源在拉應(yīng)力及環(huán)境銹蝕的共同作用下，不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈條疲勞斷裂失效?？赏ㄟ^(guò)使用抗腐蝕性能較強(qiáng)的材料，適當(dāng)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(lái)預(yù)防。

（References）

［1］孫智，江利，應(yīng)展鵬，等.失效分析—基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：119-128.

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（責(zé)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。