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地铁线路钢轨表面横向裂纹及掉块伤损原因分析
作者：郑建国 周剑华 费俊杰等
来源：《现代城市轨道交通》2018年第09期
摘 要：地铁线路钢轨使用 1.5～2.5 年后在表面产生横向裂纹及剥离掉块伤损。对地铁线路钢轨性能以及伤损的特征分析表明，该伤损是一种滚动接触疲劳伤损，主要原因是钢轨表面长期处于潮湿状态，轮轨之间的摩擦系数变小，造成钢轨表面塑性变形层内微裂纹萌生后的发展速度大于钢轨磨耗速度，裂纹向钢轨内部扩展；液体侵入裂纹内形成挤压效应，加速裂纹的发展，从而在钢轨表面产生横向裂纹并快速发展成掉块伤损。在裂纹发展初期对钢轨进行预防性打磨，并保持地铁环境的干燥，可有效预防和减轻钢轨表面横向裂纹及掉块伤损的产生和发展。
关键词：地铁；钢轨；横向裂纹；剥离掉块；疲劳伤损 中图分类号：U213 0 引言
地铁线路具有弯道多、曲线半径小、驻车及启动频繁、采用直流动力电、隧道环境复杂多样等特点，尤其在南方地区，隧道内潮湿、漏水路段较多。地铁环境的复杂多样造成钢轨在使用过程中表现出的伤损类型与国铁线路用钢轨存在差异，甚至不同城市的地铁由于地质环境、运载负荷、轨道结构等条件的不同，钢轨伤损的类型也不完全相同。钢轨出现伤损造成维护及更换任务工作量大、耗时长、费用高，而且影响了地铁线路的正常安全运营，缩短钢轨及车轮的使用寿命，严重的甚至危及行车安全[1]。某地铁线路钢轨使用 1.5～2.5 年后，有些路段钢轨表面陆续产生横向裂纹，并迅速发展成大掉块，这种伤损在国铁线路用钢轨上很少出现。为此，本文跟踪调查了线路环境，在伤损钢轨上取样进行理化检验，分析掉块伤损形成的原因，并提出预防措施。
1 钢轨表面伤损宏观特征
钢轨表面横向裂纹及掉块在地铁线路的直线段和曲线段均会出现，特征形貌见图 1。伤损发展初期表现为在钢轨表面连续密集的横向裂纹，经车轮碾压后继续发展，裂纹处会出现掉块，长度可达到 30 mm，深度约为2～3 mm。另外，发生踏面横向裂纹及掉块伤损的钢轨均位于隧道内渗水、漏水路段，钢轨表面长期潮湿。地铁钢轨表面横向裂纹及掉块与国铁用钢轨的鱼鳞伤、剥离掉块相比，有以下特点：
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（1）地铁钢轨表面裂纹和掉块会在直线段出现，而国铁线路上直线段钢轨的使用状态较好，表面光亮，极少出现掉块现象；
（2）地铁钢轨表面裂纹和掉块伤损沿着钢轨表面横向发展，而国铁线路钢轨的鱼鳞纹和剥离掉块一般出现在轨距角，与行车方向角度约为 45°[2]。 2 伤损钢轨检验分析
某地铁线路直线段铺设 60 kg/m U75V 钢轨，运行 2年后在钢轨表面出现多处掉块伤损。该段钢轨下道后，取伤损的典型部位进行检验分析，对钢轨伤损及正常部位的金相组织、显微硬度、化学成分和拉伸性能等项目进行检验。 2.1 宏观形貌
钢轨试样表面存在横向裂纹及部分已形成的剥离掉块伤损，分别以试样的横、纵向作为观察面进行金相显微观察，宏观形貌见图 2。 2.2 显微组织分析
（1）对钢轨伤损位置进行显微观察，结果见图 3。由图 3 可知，试样裂纹缺陷部位未观察到聚集分布的大型夹杂物，在裂纹内有浅灰色产物，该灰色产物为氧化锈蚀形成。 （2）金相试样经 3% 的酒精腐蚀后，可观察到钢轨伤损处及周围的组织为珠光体及少量铁素体，与钢轨正常部位的组织相同。在掉块的边缘部分具有破碎块状及裂纹，这是典型的剥离掉块形貌特征（图 4a），而且在掉块附近有碾压的塑性变形特征，裂纹走向与塑性变形方向一致（图 4b），钢轨正常部位组织为珠光体加少量铁素体（图 4c）。 2.3 显微硬度分析
对钢轨伤损部位及附近基体的横断面显微硬度进行测量，测试点间隔为 0.2 mm，结果见图 5。由图 5 可见，钢轨表面位置存在明显塑性变形，加工硬化较为明显，硬度达到 364 HV，内部基体硬度约为 280～290 HV。 2.4 钢轨母材检验
（1）化学成分。在钢轨轨头标准要求部位，采用直读光谱仪进行成品化学成分及残留元素检验，结果见表 1 和表 2。由表 1、表 2 可知，化学成分及残留元素含量符合TB/T 2344-2012《43 kg / m～75 kg / m 钢轨订货技术条件》的要求。
（2）力学性能。按 TB/T 2344-2012《43 kg / m～75 kg / m 钢轨订货技术条件》的要求取样进行钢轨拉伸性能检测，结果见表 3。由表 3 可见，钢轨轨头平均抗拉强度 Rm 为 1 023
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MPa，断后伸长率 A 为 12.0%，均满足 TB/T 2344-2012《43 kg / m～75 kg / m 鋼轨订货技术条件》的要求。
从以上检验结果可知，钢轨的化学成分及力学性能均满足相关标准要求，且裂纹伤损处未见大型夹杂物，该伤损与钢轨性能应无直接关系。 3 伤损产生原因分析 3.1 裂纹萌生
钢轨在列车行驶过程中受到轴重、导向力以及纵向和横向摩擦力的综合作用，轮轨接触面约为 100 mm2，钢轨承受的载荷力约为 50～200 kN，在钢轨接触面上产生很大的接触应力[3]。钢轨在高应力，尤其是高的剪切应力作用下，会发生应力-应变循环的棘轮效应[4]。在棘轮效应作用下，钢轨表层金属塑性变形不断积累，材料不断发生硬化，钢轨表层硬度明显增高，达到 364 HV（图 5），较内部基体硬度（280～290 HV）提高 25% 以上。当材料的塑性完全耗竭时，就会在钢轨表面塑性变形层萌生微裂纹。 3.2 裂纹扩展
微裂纹萌生后，经历扩展阶段、裂纹和磨耗共存阶段及磨耗控制裂纹阶段[5]。在这 3 个阶段，裂纹的发展与钢轨的磨耗相互抑制，若钢轨磨耗速度大于裂纹发展速度，萌生的裂纹被逐步磨掉，不会进一步发展。相反，若钢轨磨耗速度小于裂纹发展速度，萌生的裂纹会逐步扩展。钢轨的磨耗速度与轮轨之间的摩擦系数有直接关系。一般来说，钢轨表面干燥、清洁时，轮轨之间的摩擦系数在 0.25～0.4 合理范围之内，此时直线段钢轨裂纹扩展速度与磨耗速度相当，萌生裂纹的表层会被磨损掉，不会进一步扩展。
从现场观察的情况来看，发生踏面横向裂纹及掉块伤损的钢轨均位于隧道内渗水、漏水路段，钢轨表面长期潮湿，见图 1。在钢轨表面潮湿的情况下，轮轨之间的摩擦系数会大大降低，一般在 0.05～0.1 之间，甚至更低[6]，造成钢轨磨耗速度低于裂纹的扩展速度，萌生裂纹向钢轨内部扩展。 3.3 裂纹发展
当裂纹扩展形成微裂纹后，又因钢轨表面长期潮湿，轮轨接触表面上的液体（如雨水、油等）侵入裂纹中，裂纹内部积聚水分，钢轨表面发生微量塑性形变，含有水分的裂纹被折叠成封闭的孔隙，在外部压力作用下，由于液体的挤压效应（图 6），裂纹扩展强度因子比干燥情况下增大了 7～8 倍，产生一种类似于炸裂的效果，加速裂纹的发展，并且发展深度比干燥环境下大很多。当裂纹发展到一定深度，裂纹出现二次分叉，二次分叉裂纹有些会向上发展（图 3a），向上的裂纹发展到钢轨表面就会导致剥离掉块。这与出现图 1a 中的踏面横向裂纹后，钢轨表面会快速形成横向掉块情况相吻合。