钢轨伤损特征和形成机理

2021年5月6日00:00:30
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钢轨伤损从其宏观特征与形成机理分类,可分为核伤、螺孔裂纹、水平裂纹.纵向裂纹、擦伤裂纹和焊接接头伤损等。

1.核伤

钢轨核伤又称黑核或白核,多数发生在钢轨轨头内,是轨头横断面裂纹,表现了典型的疲劳特征,危害性极大。
当核伤面积占轨头5%-10%时,静力强度只有正常钢轨的16%~40%;当核伤面积占轨头10% ~15% 时,疲劳强度将下降90%以上;当核伤面积发展到轨头截面的20% ~30% (相当于直径21~40mm)时,将发生断轨。
根据目前我国的运输特点和轨道条件,钢轨核伤主要是接触疲劳形成的。钢轨轮轨接触面反复承受轮轨接触应力和摩擦力作用,形成了以塑性变形、疲劳磨牦、疲劳裂纹(表面疲劳裂纹和内部疲劳裂纹)三者共存,相互影响或制约为特征的接触疲劳伤损现象。钢轨的使用条件、钢轨的性能和质量都明显影响或控制塑性变形程度、疲劳磨耗速率及疲劳核伤的萌生部位和扩展速率。接触疲劳核伤按其形成机理有以下几种形式:

(1)纵横裂型核伤

纵横裂型核伤是钢轨轨头内部疲劳裂纹,其特点是当裂纹发展到较大面积或发展到快速扩展阶段时,裂纹才会发展到轨头表面,造成断轨。

(2)轨面塑性变形形成的核伤

轮轨接触面表层金属发生塑性变形使钢轨断面的几何形貌发生变化,表现为轨头踏面压宽.碾边、垂直磨耗和侧面磨耗。

(3)轨面剥离形成的核伤

钢轨表面的塑性变形达到一定深度时,会在钢轨作用边(特别是在曲线上股)出现程度不同的鱼鳞状裂纹和剥离掉块。这种鱼鳞状的剥离裂纹的裂纹方向与行车方向一致,一般与轨面水平夹角为15°左右。在小半径曲线上,车辆的振动、蛇行摆动及轮轨黏着和蠕动现象更为明显,轮轨接触应力更大,轨面的塑性变形可达2mm以上,剥离裂纹的深度和剥离掉块也在2mm左右。钢轨踏面表层或亚表层存在非金属夹杂物时,将会加速剥离裂纹的萌生和扩展,剥离掉块的深度可达4~5mm。剥离裂纹和剥离坑底部的残余裂纹有可能向深度方向疲劳扩展,导致形成轨头横向疲劳核伤。

(4)擦伤或焊补形成的核伤

在长大坡道、信号机前后线路上,列车爬行、制动、启动,轮轨剧烈摩擦,使钢轨踏面表层产生淬火马氏体金相组织,马氏体组织高硬度低强度的机械性能决定了它在轮轨接触应力作用下的金属破碎,产生龟裂和剥离。剥离裂纹的尖端极有可能成为疲劳源,扩展成轨头核伤。
轨面擦伤、剥离掉块后的焊补修理,因焊面打磨清理不干净或焊补工艺掌握不当,常在焊补层下形成水平核伤造成轨头大掉块或横向疲劳核伤导致断轨。

2.螺孔裂纹

在弯曲应力作用下,钢轨螺孔的周边应力是指水平和垂直方向的剪应力及这两方向的合力的主应力。螺孔周边应力是螺孔产生裂纹的受力条件,同时螺孔周围的非金属夹杂物材质缺陷,接头夹板连接上下受力的不合理结构,孔壁不倒棱、毛刺,孔位高低差或接头扭矩不足,钢轨串动造成螺杆与孔壁受力,以及在养护维修不当接头错牙、大轨缝、低扣、空吊、道床板结等使接头区域附加动力加剧,都是螺孔裂纹萌生和发展的不可忽视的重要因素。
实际发生的螺孔裂纹的裂纹方向一般呈水平37°角。统计表明,第一孔裂纹居多(占77.2%),其中-一孔向轨端上方为22.8%、-孔向轨端下方为23.1%、一孔向二孔上方为37. 0%、一孔向二孔下方为4.4%、一孔向二孔水平方向为43. 7% ,并发现迎列车端螺孔裂纹发生的频率更高。

3.水平裂纹和纵向裂纹

钢轨的水平裂纹和纵向裂纹是指沿钢轨纵向水平状和垂直状的裂纹。水平裂纹发生的部位一般在轨腰近中和轴处,部分发生在轨头下颚处;纵向裂纹是呈钢轨中心线的劈裂。早期的水平裂纹、纵向裂纹的产生是由于钢轨钢在冶炼产生的严重偏析、非金属夹杂物,在轧制过程.中沿轧制方向延展而成的。钢轨在运营过程中所受到的偏心载荷、水平力、弯曲应力的复合作用也加速了水平裂纹源的形成和扩展。

4.焊缝伤损

焊缝伤损是在焊缝处(包括热影响区)的伤损,一-般的焊缝伤损是钢轨在焊接中留下的原始缺陷发展而成。目前我国的无缝线路焊接方法有:接触焊、气压焊和铝热焊三种。接触焊和气压焊是通过加热、熔化、顶锻、塑变及再结晶工艺过程将钢轨焊接而成。两者的不同之处,一个是电加热,另一个是氧乙炔火焰加热。它们都是锻造型焊接工艺。铝热焊工艺是根据铝和铁还原反应产生的热量使焊接填充金属材料和两端钢轨熔化、融合、再结晶的过程。它是一种!铸造型焊接工艺。焊接工艺不同,所产生的伤损也不同。
铝热焊的主要伤损有夹渣、气孔、缩孔、疏松、未焊透和裂纹等。接触焊的主要伤损有灰斑、裂纹、烧伤等。气压焊的伤损主要有光斑、过烧、未焊透等。这些焊接缺陷不同程度地降低了焊縫的机械性能,也是运营过程中产生早期疲劳裂纹的裂纹源。

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