【转帖】[分享]钢轨断裂原因分析（失效分析）

2.2　宏观断口分析
观察钢轨断口，钢轨属于横向脆性断裂。钢轨轨底一侧轨脚有一长29mm，深度穿透轨底的外伤缺陷，断裂源在该外伤缺陷靠近轨底面区域处。断裂裂纹走向从外伤缺陷处的裂纹源开始往轨腰、轨头呈放射状发展，断口形貌为快速断裂特征。从断口上可见轨头有明显的热处理特征。钢轨断口形貌见图1和图2。

从外伤缺陷的宏观特征看，该外伤缺陷具有乙炔火焰切割或强电流打火所造成的特点。

2.3　微观检验

在外伤缺陷的裂纹源区取样进行电镜和金相组织观察。裂纹源区为解理断口，未见疲劳裂纹特征，见图3。裂纹源区由表至里的显微组织为马氏体+莱氏体→马氏体+残余奥氏体→珠光体。马氏体和莱氏体组织层深度达3.0mm，组织形态见图4和图5。图4中的白色弧形带为马氏体+残余奥氏体，是由冷却条件造成的。对轨头横截面进行硬度测定，结果示于图6，表明轨头已经过了全长热处理。

3　断裂原因分析
上述检验结果表明，钢轨断裂裂源在轨底一侧的轨脚外伤缺陷处近轨底面区域，裂纹源区未发现疲劳裂纹特征，钢轨属于脆性快速断裂；裂源区的表层为马氏体+莱氏体组织，而马氏体和莱氏体组织为硬而脆的非正常组织。由此可见，钢轨的断裂是由外伤缺陷区域中的马氏体和莱氏体组织造成的。因为在马氏体相变过程中，过饱和的碳引起α铁体心立方晶格的畸变，形成较大的残余应力。这种较大的残余应力使马氏体组织易出现微裂纹，形成裂纹源。在行车过程中，钢轨处于三点弯曲状态，轨底是拉应力，而且外伤缺陷有棱角，造成应力集中。因此在残余应力和列车通过时产生的较大外力的综合作用下，促使钢轨外伤缺陷中的马氏体、莱氏体组织产生微裂纹，形成裂纹源。断裂钢轨材料为U71Mn钢，属于高碳钢，其塑性和韧性值不高。轨头表层虽经过全长热处理，但轨底、轨腰和轨头里层仍属热轧态，其伸长率δ5≥8%，常温冲击韧性Aku为4.9～9.8J/cm2，断裂韧性平均值KIC为40.0MPa·m1/2。

由于钢轨韧性值不太高，抗裂纹失稳扩展能力相对较低，所以一旦产生微裂纹，就会迅速扩展导致钢轨发生脆性断裂。断口则表现为图3的解理形貌。文献[1～3]均介绍了马氏体的存在导致钢轨发生早期断裂的事例，阐明了马氏体组织的存在易引起微裂纹产生，导致钢轨在外力作用下具有很高的爆裂概率。

4　外伤缺陷产生原因
根据钢轨的生产工序，钢轨经生产、加工后，对其表面质量、尺寸规格等进行严格检查，符合一级品标准的钢轨直接入成品库，然后装车发货。生产厂对U71Mn钢轨不进行全长热处理，是以热轧态交货，钢轨硬度为25～28HRC。而断裂钢轨轨头硬度最高达39HRC(图6)，且轨头踏面硬化层深度达12mm，表明钢轨经过了全长热处理。钢轨的外伤缺陷及断裂位置是在距轨端2.82m处，此位置正好是钢轨运输过程中在平板车上的第二道钢筋捆绑位置(规定第二道钢筋捆绑位置距轨端2.8～3.0m)。钢轨正常的组织为珠光体，但钢轨外伤缺陷表层出现了马氏体和莱氏体组织。
马氏体是由奥氏体快速冷却而转变的组织，莱氏体是一种含碳量较高(4.3%C)的共晶铸态组织，这两种组织的存在说明是在乙炔火焰的高温状态下形成的。因乙炔(C2H2)中含有大量的碳，用乙炔火焰切割钢轨才能使被切割面具有增碳的条件而出现莱氏体组织。钢轨被乙炔火焰切割时，靠切割面的金属为液体，并出现碳的富集区，里层为奥氏体。停止切割后在环境温度和钢轨基体温度的影响下切割面快速冷却，形成了由表至里的马氏体+莱氏体→马氏体+残余奥氏体→珠光体的组织结构特征。
由此分析认为，钢轨的外伤缺陷是在卸车时用乙炔火焰枪切割捆绑钢轨的钢筋时误伤钢轨而造成的。

5　结语及建议
(1)造成该钢轨断裂的原因是钢轨一侧轨脚的外伤缺陷及其马氏体和莱氏体组织。
(2)钢轨的外伤缺陷是被乙炔火焰误切割造成的。
(3)加强钢轨的质量管理，防止对钢轨造成外伤缺陷。对有外伤缺陷的钢轨不得铺设在线路上，对线路上使用的钢轨应加强巡查，发现有缺陷的钢轨及时进行更换。