重載鐵道線轍叉零件滾動接觸疲勞白色組織性能表征及分析
[摘要]重載貨運鐵道線路發生多起轍叉零件斷裂和核傷下道，均為滾動接觸疲勞損傷所致。本文主要通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀、以及顯微硬度計對疲勞損傷處的白色組織（White Etching Structure，WEC）進行理化性能表征和分析。結果表明：WEC內部為納米尺度的纖維織構，成分與基體無明顯差異，WEC與基體之間存在寬度約3.4μm的過渡區；WEC的硬度可高達1165 HV0.3，其高硬度與材料自身強度和承受的循環載荷次數有關，循環次數相當，材料強度越高，形成的WEC硬度越高；材料強度相當，承受的循環次數越多，形成的WEC硬度越高。[關鍵詞]滾動接觸疲勞；白色組織（WEC）；納米尺度；纖維織構;循環載荷
引言
隨著列車載重和運行速度的提高，接觸疲勞損傷成為鋼軌主要失效形式之一，鋼材的性能顯著影響著零件的接觸疲勞壽命[1~3]。轍叉的工作條件更為苛刻，當機車經過時，車輪將對其產生巨大的載荷沖擊，同時還將承受最大的動載荷作用，一般認為轍叉上的動載荷是靜載荷的2~5倍[4]。目前我國鐵路的主要線路上主要使用高錳鋼整鑄轍叉，但隨著社會經濟的發展，鐵路運輸將向著高速、重載、大運量的目標發展，要求轍叉心軌具有更加優異的抗疲勞性能，因此具有高強度、高韌性以及擁有優異焊接性的轍叉心軌材料如新型貝氏體鋼得到了廣泛應用[5]。但近年來，某重載貨運線路用U75V鋼、新型貝氏體鋼轍叉均發生了因“核傷”下道。核傷主要表現為距離表面一定深度產生的斜向內裂紋，其萌生和擴展從與表面呈約15°的角度開始，這一階段主要受滾動接觸切應力的影響，當內裂紋向深度擴展至約10mm時，角度陡然增加至70°，并向下發展至最終斷裂，這一階段主要受到組合應力的控制[6]。文獻[7]認為這種次表面裂紋一般起源于表面下3~5mm，最大也會到達表面以下25mm左右。
白色組織（White Etching Structure，WEC）是難腐蝕的金相組織，是滾動接觸疲勞獨有的現象，在其他疲勞行為中還沒有發現過[8]。由于滾動接觸疲勞的作用，在滾動面正下方的最大剪切應力作用區，顯微組織發生細微變化，除WEC外，還有黑色組織（Dark Etching Structure，DEC）、WEC與基體邊界處生成的透鏡狀碳化物（Lenticular Carbide，LC）以及被視為剝落部位的板狀碳化物（Plate Carbide，PC）[8]。研究[8]認為WEC不僅在夾雜物周邊產生，基體也可出現，產生機理主要為在最大剪切應力區附近，夾雜物或空隙引起應力集中，使周圍局部溫度上升，組織呈熔融狀態，此后極冷下來形成C的過飽和固溶馬氏體。文獻[9-10]認為WEC由滾動接觸交變應力作用，在近表面基體或缺陷附近的顯微組織變異形成。關于WEC內部結構的本質特征及性能分析報道較少。本文針對WEC內部及邊界進行全面深入的表征和分析，有助于科研和工程人員對滾動接觸疲勞失效機理的進一步了解。
01
試驗材料和方法
1.1試驗材料試驗材料選擇3件鐵路轍叉常用零件：心軌（Point Rail）、翼軌鑲塊（Wing Rail Set Piece）、翼軌（Wing Rail）。試樣的化學成分見表1，心軌和翼軌鑲塊均屬于Si-Mn-Cr系新型貝氏體鋼，前者碳含量高于后者，翼軌為U75V鋼，其碳含量接近共析點，為珠光體鋼，以上3種零件均為正火態下使用。拉伸性能見表2，3種材料的強度均超過1200MPa，屬于高強度鋼，心軌和翼軌鑲塊的強韌性均高于翼軌。3種試驗材料均用于同一條重載鐵道線路，服役時間心軌4個月，翼軌鑲塊和翼軌均為10個月，心軌和翼軌鑲塊經超聲波例行檢查，發現內部核傷尺寸超標下道，翼軌因斷裂下道。
1.2 試驗方法采用線切割進行試樣缺陷部位金相截取，對截取的試樣進行磨制、拋光，拋光面采用4%硝酸酒精溶液浸蝕，光學金相組織表征采用顯微鏡，電子金相組織表征采用掃描電子顯微鏡，能譜分析采用能譜儀，顯微硬度分析采用顯微硬度計（試驗載荷300g，保載時間10s）。
02
試驗結果與討論
2.1宏觀觀察和金相組織檢查圖1a、圖1b分別為心軌、翼軌鑲塊缺陷截面宏觀形貌，可見缺陷為裂紋特征，均為內部裂紋（紅色箭頭處），其中心軌試樣中存在兩條大致平行的裂紋，其中短裂紋長度約5mm，距離頂面4mm，長裂紋長度約25mm，最深處距離頂面約8mm，兩條裂紋與側面距離相當，約1mm；圖1c為翼軌裂紋斷口表面宏觀形貌，斷面光滑，宏觀可見疲勞弧線，疲勞弧線收斂于圖1c中箭頭處，該位置為疲勞源區，距離頂面約12mm，為典型的近表面滾動接觸疲勞裂紋擴展斷裂。3件試樣內部裂紋起源深度均與文獻[7]相符，即均位于距離頂面3~25mm之間。
圖2為心軌試樣經4%硝酸酒精溶液腐蝕后的顯微組織形貌，可見裂紋不同位置均存在WEC組織，該組織不是一個連續的整體，而是被微裂紋分割成大小不一的小塊，尺寸與基體組織相近，WEC組織內未見其它明顯組織結構特征，WEC與基體之間無明顯過渡區，附近基體顯微組織為針狀貝氏體。圖3為翼軌裂紋斷口金相組織，同樣在源區附近發現WEC組織。圖4為不同試樣的基體顯微組織，心軌和翼軌鑲塊的組織相近，均為針狀貝氏體（圖4a和圖4b），翼軌組織為細珠光體+少量鐵素體（圖4c），未見標準“TB/T 2344.1-2020”中規定的馬氏體、貝氏體及晶界滲碳體等異常組織。
2.2 微觀組織檢查圖5為心軌試樣WEC及分界處的電子顯微形貌，WEC內部存在方向與裂紋平行的纖維層狀變形組織特征（圖5a中箭頭處），纖維寬度為納米尺度，除此之外無其它結構。WEC與基體分界處放大后同樣發現存在纖維層狀變形組織特征（圖5b中箭頭處），方向與WEC的纖維方向一致,但其顯微尺寸相對WEC內的纖維變形組織較大，該區域為基體與WEC的過渡區，尺寸約為3.4μm，過渡區顯微組織特征與基體相近，均為由亞片條、亞單元等組成的條束狀貝氏體組織[10]。這與在光學顯微鏡下觀察結果略有差異，光學顯微鏡下未能辨別出過渡區，主要是受分辨率極限的限制，不能對更加細微組織進行深入分析所致。翼軌鑲塊和翼軌形成的WEC的微觀形貌與心軌相同，在WEC內部均發現存在纖維變形組織，同時也存在尺度與心軌試樣相當的微米級過渡區組織。
2.3 能譜分析圖6為心軌WEC組織及附近基體的能譜分析位置，分析結果見表3，翼軌鑲塊和翼軌對應位置的能譜分析結果與心軌一致。能譜分析結果表明：WEC（位置3）和基體（位置1）不僅元素組成相同，主要含Fe、Mn、Si、Cr等金屬元素，且元素含量相近，由于能譜分析方法對輕元素（原子序數為9以前的元素）分析誤差較大，因此實測C含量與材料本身C含量相差較大；裂紋內（位置2）C元素含量較高，為鑲嵌料填充物，此外還存在Fe的氧化物。WEC的成分與基體無明顯差異，再次說明其與文獻[8]描述相符，為基體因局部產生高溫再冷卻產生馬氏體相變，形成碳的過飽和固溶體，因此成分與基體無異。
2.4 顯微硬度分析圖7為心軌WEC及附近基體顯微硬度測試結果，WEC顯微硬度平均值約為HV 897，裂紋附近基體顯微硬度平均值約為HV 522，遠離裂紋處的基體顯微硬度平均值約為HV 465。可見WEC硬度明顯高于附近基體和遠端基體，附近基體的硬度略高于遠端基體，因此附近基體對應過渡區。圖8為不同試樣WEC的顯微硬度測試結果，可見翼軌鑲塊的WEC的顯微硬度（平均值約HV 1165）最高，心軌的白色組織顯微硬度（平均值約HV 897）次之，翼軌的WEC的顯微硬度（平均值約HV 651）最低。翼軌鑲塊WEC的顯微硬度最高達到約HV 1165，遠遠超過該材料正常淬火馬氏體組織的硬度，這可能主要與其內部纖維層狀組織有關，該層狀組織應由反復的擠壓變形形成，由于反復加工硬化的原因導致硬度增加[12]。另一方面，由圖8可知，不同的材料經不同工況形成的WEC的硬度也有較大差異，主要表現為以下兩個方面的特點，一是在循環次數相當的情況下，屈服強度較高的材料形成的WEC硬度較高，如翼軌鑲塊相比翼軌服役時間相當，但前者由于屈服強度明顯高于后者，因此其WEC硬度較高；二是在屈服強度相當的情況下，承受循環載荷次數較高時形成的WEC硬度較高，如翼軌鑲塊和心軌屈服強度相差較小，但前者服役時間明顯高于后者，因此其WEC硬度較高。在同等循環載荷次數作用下，材料自身強度越高，形成的WEC硬度越高，主要由其合金化程度決定的。而循環載荷導致硬度增加主要與材料的加工硬化程度有關，循環次數越多，硬化越充分，其硬度越高。由于是在狹小空間且相對封閉的環境中（裂紋內）進行的反復加工硬化，材料不至于破斷而終止硬化，因此其加工硬化的程度明顯高于拉伸試驗時的加工硬化。
03
結論
1）WEC在貝氏體鋼和珠光體鋼中均能產生，是鐵路轍叉零件（心軌、翼軌、翼軌鑲塊）在滾動接觸疲勞載荷作用下產生的典型組織，可作為判斷是否為滾動接觸疲勞失效的重要證據。2）轍叉零件服役時滾動接觸疲勞形成的WEC內部為納米尺度的纖維層狀結構，其化學成分與基體無明顯差異，在WEC與基體之間存在寬度約3.4μm、纖維尺寸略大（相對WEC）的過渡區，過渡區組織與基體相近，均為由亞片條、亞單元等組成的條束狀貝氏體組織。3）滾動疲勞載荷下形成的WEC為馬氏體組織，經一定周次的循環載荷作用后其硬度可達到HV1165左右，遠遠高于未經加工硬化的馬氏體以及附近的貝氏體基體組織的硬度。4）WEC硬度還與材料自身屈服強度、循環載荷次數有關。循環次數相當，材料屈服強度越高，形成的WEC硬度越高；材料屈服強度相當，循環次數越多，形成的WEC硬度越高。
參考文獻
[1]盛光敏,范鏡泓,彭向和. PD3鋼軌鋼接觸疲勞裂紋擴展行為研究[J]. 金屬學報,2000,36(2):131-134.[2]郭浩,雷建中,扈林莊. 滾動軸承接觸疲勞失效的影響因素及其研究現狀[J]. 失效分析與預防,2019,14(3):206-211[3]楊曉峰,于慶杰,王文雪,等. 8Cr4Mo4V材料鋼球滾動接觸疲勞試驗研究[J]. 失效分析與預防,2021,16(5):295-299. [4]王安友,張挺,劉海波,等. K417G低壓渦輪轉子葉片振動疲勞斷裂特征研究[J]. 失效分析與預防,2020,15(4):227-231[5]何雷. 轍叉用新型貝氏體鋼的沖擊韌性與滾動接觸疲勞特性研究[D]. 西華大學,2014:12-16.[6]史密斯. 鋼軌滾動接觸疲勞的進一步研究[J]. 中國鐵道科學,2002,23(3):6-10.[7]張偉,郭俊,劉啟躍. 鋼軌滾動接觸疲勞研究[J]. 潤滑與密封,2005(6):195-199.[8]瀨戶浩藏.軸承鋼-在20世紀誕生并飛速發展的軸承鋼[M]. 陳洪真,譯.北京:冶金工業出版社,2003,1:107,3-8.[9]陶春虎,劉高遠,恩云飛,等.軍工產品失效分析技術手冊[M].北京:國防工業出版社,2009:438-441.[10]張銀花,周清躍,王樹青,等.TB/T 2344.1-2020鋼軌第1部分：43Kg/m~73Kg/m鋼軌[S].北京國家鐵路局,2020.[11]倫寧,秦超,孟凡妍,等. 貝氏體組織及其精細結構[J]. 機械工程材料,2003,27(5):7-9.[12]陳偉,王輝,徐錕. UCM軋機中間輥接觸疲勞硬化層深度研究[J]. 失效分析與預防,2020,15(2):74-77.
本文作者：王安友，就職于浙江國檢檢測技術股份有限公司，工程師，主要從事金屬制件理化檢測及失效分析方面的研究。
下一篇：分享：304奧氏體不銹鋼護欄斷裂失效分析
上一篇：分享：變速箱懸置支架開裂失效分析
浙公網安備 33042402000106號
