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(fā)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(xué)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(jié)果表明：WEC內(nèi)部為納米尺度的纖維織構(gòu)，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(qū)；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(huán)載荷次數(shù)有關(guān)，循環(huán)次數(shù)相當(dāng)，材料強度越高，形成的WEC硬度越高；材料強度相當(dāng)，承受的循環(huán)次數(shù)越多，形成的WEC硬度越高。[關(guān)鍵詞]滾動接觸疲勞；白色組織（WEC）；納米尺度；纖維織構(gòu);循環(huán)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(dāng)機車經(jīng)過時，車輪將對其產(chǎn)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(jīng)濟的發(fā)展，鐵路運輸將向著高速、重載、大運量的目標(biāo)發(fā)展，要求轍叉心軌具有更加優(yōu)異的抗疲勞性能，因此具有高強度、高韌性以及擁有優(yōu)異焊接性的轍叉心軌材料如新型貝氏體鋼得到了廣泛應(yīng)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(fā)生了因“核傷”下道。核傷主要表現(xiàn)為距離表面一定深度產(chǎn)生的斜向內(nèi)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(yīng)力的影響，當(dāng)內(nèi)裂紋向深度擴展至約10mm時，角度陡然增加至70°，并向下發(fā)展至最終斷裂，這一階段主要受到組合應(yīng)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(xiàn)象，在其他疲勞行為中還沒有發(fā)現(xiàn)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(yīng)力作用區(qū)，顯微組織發(fā)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(chǎn)生，基體也可出現(xiàn)，產(chǎn)生機理主要為在最大剪切應(yīng)力區(qū)附近，夾雜物或空隙引起應(yīng)力集中，使周圍局部溫度上升，組織呈熔融狀態(tài)，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(yīng)力作用，在近表面基體或缺陷附近的顯微組織變異形成。關(guān)于WEC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征及性能分析報道較少。本文針對WEC內(nèi)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(xué)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(tài)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(jīng)超聲波例行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部核傷尺寸超標(biāo)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(xué)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(jié)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(nèi)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(cè)面距離相當(dāng)，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(qū)，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(nèi)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(jīng)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(xù)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(nèi)未見其它明顯組織結(jié)構(gòu)特征，WEC與基體之間無明顯過渡區(qū)，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(qū)附近發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)“TB/T 2344.1-2020”中規(guī)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(nèi)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(jié)構(gòu)。WEC與基體分界處放大后同樣發(fā)現(xiàn)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(nèi)的纖維變形組織較大，該區(qū)域為基體與WEC的過渡區(qū)，尺寸約為3.4μm，過渡區(qū)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(xué)顯微鏡下觀察結(jié)果略有差異，光學(xué)顯微鏡下未能辨別出過渡區(qū)，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(nèi)部均發(fā)現(xiàn)存在纖維變形組織，同時也存在尺度與心軌試樣相當(dāng)?shù)奈⒚准夁^渡區(qū)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(jié)果見表3，翼軌鑲塊和翼軌對應(yīng)位置的能譜分析結(jié)果與心軌一致。能譜分析結(jié)果表明：WEC（位置3）和基體（位置1）不僅元素組成相同，主要含F(xiàn)e、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(shù)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(nèi)（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(chǎn)生高溫再冷卻產(chǎn)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(jié)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(yīng)過渡區(qū)。圖8為不同試樣WEC的顯微硬度測試結(jié)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(nèi)部纖維層狀組織有關(guān)，該層狀組織應(yīng)由反復(fù)的擠壓變形形成，由于反復(fù)加工硬化的原因?qū)е掠捕仍黾覽12]。另一方面，由圖8可知，不同的材料經(jīng)不同工況形成的WEC的硬度也有較大差異，主要表現(xiàn)為以下兩個方面的特點，一是在循環(huán)次數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r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(dāng)，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(dāng)?shù)那闆r下，承受循環(huán)載荷次數(shù)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(huán)載荷次數(shù)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(huán)載荷導(dǎo)致硬度增加主要與材料的加工硬化程度有關(guān)，循環(huán)次數(shù)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(huán)境中（裂紋內(nèi)）進行的反復(fù)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(jié)論
1）WEC在貝氏體鋼和珠光體鋼中均能產(chǎn)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(chǎn)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(jù)。2）轍叉零件服役時滾動接觸疲勞形成的WEC內(nèi)部為納米尺度的纖維層狀結(jié)構(gòu)，其化學(xué)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(qū)，過渡區(qū)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(jīng)一定周次的循環(huán)載荷作用后其硬度可達到HV1165左右，遠遠高于未經(jīng)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(huán)載荷次數(shù)有關(guān)。循環(huán)次數(shù)相當(dāng)，材料屈服強度越高，形成的WEC硬度越高；材料屈服強度相當(dāng)，循環(huán)次數(shù)越多，形成的WEC硬度越高。
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本文作者：王安友，就職于浙江國檢檢測技術(shù)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。
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