２０１４年１２月 第９卷第６期 失效分析与预防 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１４ Ｖｏ１．９，Ｎｏ．６ 大秦铁路钢轨断裂原因分析 李 闯，张银花，陈朝阳，刘丰收，周清跃 （中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京１０００８１） ［摘要］大秦铁路某钢轨在铺设的过程中断裂，同批钢轨使用后在钢轨踏面出现早期横向裂纹。采用断口宏观观察，金相 组织分析，能谱分析等方法，对钢轨出现早期伤损的原因进行了综合分析。结果表明：钢轨踏面存在擦伤，摩擦导致局部金 属产生高温，随后快速冷却产生白层。白层组织硬而脆，在外力作用下容易破碎，导致钢轨踏面早期出现横向裂纹。裂纹向 轨头内部扩展最终导致钢轨铺设时断裂以及使用后出现早期疲劳核伤。 ［关键词］钢轨；断裂；裂纹；擦伤；白层 【中图分类号］Ｕ２１３．４ ｃ文献标志码］Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－６２１４．２０１４．０６．００７ ［文章编号］１６７３－６２１４（２０１４）０６￣３５７－０４ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒａｉｌ ｏｆ Ｄａｑｉｎ Ｒａｉｌｗａｙ ＬＩ Ｃｈｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎ—ｈｕａ，ＣＨＥＮ Ｚｈａｏ－ｙａｎｇ，ＬＩＵ Ｆｅｎｇ—ｓｈｏｕ，ＺＨＯＵ Ｑｉｎｇ・ｙｕｅ （Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＲａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅ ｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｒａｉｌ ｃｒａｃｋｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｒａｃｋｓ ａｐｐｅａｒｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｎｌｅ ｂａｔｃｈ ｏｆ ｒａｉｌ ａｆｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｗｈｉｌｅ．Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｆａｃｔｕｒｅ ＳＵｌ￣ａｃｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｓｃｒａｔｃｈ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒｅａｄ ｏｆ ｒａｉｌ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｌｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｉｔｅ ｌａｙｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｆａｓｔ ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｈａｒｄ ａｎｄ ｂｒｉｔｔｌｅ ｗｈｉｔｅ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｆｒａｇｉｌｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｒａｃｋ ｏｎ ｔｒｅａｄ ｏｆ ｒａｉｌ．Ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ，ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅａｒｌｙ ｏｖａｌ ｆｌａｗｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：（Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｆ ｏＲａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） 首次突破亿吨达到１．０３亿ｔ，２００５年２．０３亿ｔ， ０ 引言 我国铁路主要分为时速２００ ｋｍ／ｈ以上的高 速铁路以及时速２００ ｋｍ／ｈ以下的既有和重载铁 路，此外还存在高原铁路和城市轨道交通等线路。 钢轨作为一根支撑在连续弹性基础或点支撑上的 无限长梁，起着承载并导向列车的双重作用，其性 ２００７年３．０３亿ｔ，２０１０年４．０５亿ｔ，２０１３年已达 到４．５亿ｔ。大秦重载铁路运量、轴重和单列最大 载重不断增加，为满足其运营，目前重车线铺设的 钢轨为７５ ｋｇ／ｍ重型钢轨¨４。。 在大秦铁路重车线集中维修更换钢轨过程 中，新换钢轨母材发生断裂。同一批钢轨铺设使 用１２ ｄ后，发现钢轨轨头踏面出现横向裂纹，打 磨后裂纹仍然存在，随后将其更换下道。为查明 原因，在钢轨断裂处取样进行检验分析。 能直接影响着铁路运输的安全。高速铁路列车速 度高，但动车组轴重轻，且线路曲线半径大，钢轨 磨耗轻微，主要选用硬度相对较低的Ｕ７１ＭｎＧ和 Ｕ７５ＶＧ钢轨。重载铁路轴重大，曲线半径小，主 要选用硬度相对较高的Ｕ７５Ｖ、Ｕ７６ＣｒＲＥ、 Ｕ７７ＭｎＣｒ和Ｕ７８ＣｒＶ钢轨。 １ 试验过程与结果 １．１ 断口宏观观察 大秦铁路属于重载铁路，开通后的前１０年， 主要开行５ ０００、６ ０００和１０ ０００ ｔ重载列车，２００３ 年首次开行２万ｔ列车。大秦线原设计年输送能 铺设过程中钢轨断裂后的外观和断口宏观形 貌见图１。由图ｌａ可知，断口附近的钢轨踏面存 在不同程度的擦伤，从形貌上判断为新旧两种擦 力为６０００万ｔ，远期年运量为１亿ｔ，２００２年运量 ［收稿日期］２０１４年６月２８日 伤。原有擦伤的程度较严重，已形成明显的金属 ［修订日期］２０１４年９月１８日 ［作者简介］李闯（１９８１年一），男，博士研究生，助理研究员，主要从事钢轨材质等方面的研究。 ３８２ 失效分析与预防 第９卷 裂，固化时环氧树脂流人并固化在断口表面；其他 碳纤维发生断裂，导致固化后该区域层间结合强 区域断面碳纤维断口存在挤压磨损痕迹。 度低，部分区域存在分层缺陷。 金相分析结果表明紧固套边缘附近碳布存在 ３）试验过程中在疲劳载荷的作用下分层缺 明显的弯曲变形【３ ４。，部分纤维断裂，碳布层之间 陷区域产生局部裂纹并扩展，导致减速器管发生 存在分层现象，表明紧固套边缘附近区域碳布发 断裂。 生弯曲变形，导致部分纤维弯曲、变形、断裂，碳布 ４）建议加强固化前的工艺过程控制。 层之间发生分层 。 综合减速器管断口形貌及金相分析结果分析 参考文献 认为，减速器管发生早期疲劳断裂（设计要求２０ ［１］崔忠圻．金属学与热处理［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出 万次试验时，在第４０次发生断裂）的原因是减速 版社，１９９０：５５—６１． 器管在固化之前，紧固套边缘碳布发生弯曲变形， ［２］郭修文．金相技术问答［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８７： １５４—１６７． 碳布层之间发生分层，部分碳纤维发生断裂，导致 ［３］钟培道．断裂失效分析［Ｊ］．理化检验：物理分册，２００５ 固化后该区域层问结合强度低，部分区域未有效 ｆ１０）：２１—２５． 固化成一体，形成缺陷，导致该区域减速器管的刚 ［４］鄢国强．金相检验［Ｍ］．上海：上海科学普及出版社，２００３： 度、强度、抗疲劳性能均大幅度下降 圳，试验过 ２５４—２６８． ／／ 程中在疲劳载荷的作用下，损伤区域产生局部裂 ［５］范金娟，赵旭，陶春虎，等．平面编织复合材料层压板低速冲 击后的压缩失效［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２０１０，２６ 纹并扩展，导致减速器管发生断裂。 （５）：１０８—１１０． ［６］范金娟，赵旭，程小全．复合材料层合板低速冲击后压缩损 ３结论 伤特征研究［Ｊ］．失效分析与预防，２００６，１（２）：３３—３５． ［７］习年生，于志成，陶春虎．纤维增强复合材料的损伤特征及 １）减速器管发生早期疲劳断裂的原因是该 失效分析方法［Ｊ］．航空材料学报，２０００，２０（２）：５５—６３． 区域层间结合强度低，部分区域存在分层。 ［８］沃丁柱．复合材料大全［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０００： ３６８—３７５． ２）减速器管在固化之前，紧固套边缘部分区 ［９］胡保全，牛晋川．先进复合材料［Ｍ］．北京：国防工业出版 域碳布发生弯曲变形，碳布层之间发生分层，部分 社，２００６：８７—９４． （上接第３６０页） ［２］张银花，周清跃。陈朝阳，等．重载铁路高强钢轨的试验研究 ［Ｍ］．北京ｌ中国铁道出版社，２０１０：８６—９３． ［Ｊ］．中国铁道科学，２０１０，３１（４）：０２—２６． ［７】朱曼吴，周仲荣，刘家浚．摩擦学白层的研究现状［Ｊ】．摩擦 ［３］董志洪．高技术铁路与钢轨［Ｍ］．北京：冶金工业出版社， 学学报，１９９９，１９（３）：２８１—２８７． ２００３：６８—７２． ［８］Ｂａｕｍａｎｎ Ｇ，Ｋｎｏｔｈｅ Ｋ，Ｆｅｅｈｔ Ｈ．Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ， ［４］习年生，李晓宇，王卫东．大秦铁路钢轨轨角型核伤的扩展 ｃｏｒｒｔｌｇｓｌＪｏｎ ａｎｄ ｌａｎａｏｓｌａｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ 与安全评估ＥＪ］．失效分析与预防，０２１１，６（１）：１５一ｌ８． 佃 ｋｓ【Ｊ］．Ｎａｎｏｓｔｒｕｅｈｘｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９７，９（１）：７５１—７５４． ［５】Ｂａｎｍａｎｎ Ｇ，Ｆｅｅｈｔ Ｈ Ｊ，Ｌｉｅｂｅｌｔ Ｓ．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｉｔｅ－ｅｔｃｈｉｎｇ ［９】黄向明，周志雄，杨军，等．塑性变形在淬硬钢磨削白层形成 ｌａｙｅｒｓ ｏｎ ｒａｉｌ ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９６，１９１（１—２）：１３３—１４０． 中的作用机理［Ｊ］．湖南大学学报，０２１０，３７（１）：３５—４ｏ． ［６】邹定强，杨其全，卢观健，等．钢轨失效分析和伤损图谱
