重载铁道线辙叉零件滚动接触疲劳白色组织性能表征及分析_王安友.pdf

重载铁道线辙叉零件滚动接触疲劳白色组织性能表征及分析王安友1，江莉2，茶浪3，徐鑫1，蒋达磊1（1.浙江国检检测技术股份有限公司，浙江嘉兴314300；2.重庆标准件工业有限责任公司，重庆402247；3.贵州航宇科技发展股份有限公司，贵阳550081）摘要 重载货运铁道线路发生多起辙叉零件断裂和核伤下道，均为滚动接触疲劳损伤所致。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪，以及显微硬度计对疲劳损伤处的白色组织进行理化性能表征和分析。结果表明：白色组织内部为纳米尺度的纤维织构，成分与基体无明显差异，白色组织与基体之间存在宽度约 3.4m 的过渡区。白色组织的硬度高达 HV1165，其高硬度与材料自身强度、承受的循环载荷次数有关。循环次数相当，材料强度越高，形成的白色组织硬度越高；材料强度相当，承受的循环次数越多，形成的白色组织硬度越高。关键词 滚动接触疲劳；白色组织；纳米尺度；纤维织构；循环载荷 中图分类号 TG115 文献标志码 Adoi：10.3969/j.issn.1673-6214.2023.03.011 文章编号 1673-6214(2023)03-0207-06Properties Characterization and Analysis of White Structure of Heavy-load Railway Frog Parts by Rolling Contact FatigueWANGAn-you1，JIANGLi2，CHALang3，XUXin1，JIANGDa-lei1(1.ZhejiangGuojianTestingTechnologyCo.,Ltd.,ZhejiangJiaxing314300,China；2.ChongqingStandardPartsIndustryCo.,Ltd.,Chongqing402247,China；3.GuizhouHangyuTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)Abstract:Becauseofrollingcontactfatiguedamage,heavy-loadrailwayfrogpartscrackedorfracturedforseveraltimes.Inthepresentwork,thephysicalandchemicalpropertiesofthewhitestructureatthefatiguedamageareawerecharacterizedandanalyzedwithopticalmicroscope,scanningelectronmicroscope,energydispersivespectrometerandmicro-hardnesstester.Theresultsshowthatthemicrostructureofthewhitestructureisnanoscalefibertexture,andthereisnosignificantdifferenceinchemicalcompositionbetweenthewhitestructureandthematrix.Thereisatransitionzonewithawidthofabout3.4mbetweenthewhitestructureandthematrix.ThehardnessofthewhitestructurecanbeashighasHV1165,anditshighhardnessisrelatedtothestrengthofthematerialitselfandthecyclenumberofloading.Withtheriseofthematerialstrengthorthecyclenumberofloading,thehardnessofthewhitestructureincreases.Key words:rollingcontactfatigue;whitestructure;nanoscale;fibertexture;cyclicloading0引言随着列车载重和运行速度的提高，接触疲劳损伤成为钢轨主要失效形式之一，而钢材的性能显著影响着零件的接触疲劳寿命13。辙叉的工作条件极为苛刻，当机车经过时，车轮对其产生巨大的载荷冲击。同时，它还承受最大的动载荷作用，一般认为辙叉上的动载荷是静载荷的 25 倍4。目前，我国主要线路的铁路上使用的是高锰钢整铸辙叉。但随着社会经济的发展，铁路运输将向着高速、重载、大运量的目标发展，要求辙叉心轨具有更加优异的抗疲劳性能，因此具有高强度、高韧性以及拥有优异焊接性的辙叉心轨材料如新型收稿日期 2022年12月5日修订日期 2023年2月26日作者简介 王安友（1980 年），男，工程师，主要从事金属材料/零部件理化性能检测和失效分析等方面的研究。2023 年 6 月第 18 卷第 3 期失效分析与预防June，2023Vol.18，No.3贝氏体钢得到了广泛应用5。近年来，某重载货运线路用 U75V 钢、新型贝氏体钢辙叉均发生了因“核伤”下道。核伤主要表现为距离表面一定深度产生斜向内裂纹，其萌生和扩展从与表面呈约15开始。这一阶段主要受滚动接触切应力的影响，当内裂纹向深度扩展至约 10mm 时，角度陡然增至 70，并向下发展至最终断裂，这一阶段主要受到组合应力的控制6。文献 7 认为这种次表面裂纹一般起源于表面下 35mm，最大也会到达表面以下约 25mm。白色组织是难腐蚀的金相组织，是滚动接触疲劳独有的现象，在其他疲劳行为中还未发现8。由于滚动接触疲劳的作用，在滚动面正下方的最大剪切应力作用区，显微组织发生细微变化，除白色组织外，还有黑色组织、白色组织与基体边界处生成的透镜状碳化物以及被视为剥落部位的板状碳化物8。有研究8认为，白色组织不仅在夹杂物周边产生，基体也可出现，产生机理主要为在最大剪切应力区附近，夹杂物或空隙引起应力集中，使周围局部温度上升，组织呈熔融状态，此后极冷下来形成 C 的过饱和固溶马氏体。文献 9-10 认为，白色组织由滚动接触交变应力作用，在近表面基体或缺陷附近的显微组织变异形成。目前，关于白色组织内部结构的本质特征及性能分析报道较少，本研究针对白色组织内部及边界进行全面深入的表征和分析，有助于科研和工程人员进一步了解滚动接触疲劳失效机理。1试验材料和方法1.1试验材料试验材料选择 3 件铁路辙叉常用零件：心轨、翼轨镶块、翼轨。试样的化学成分见表 1。心轨和翼轨镶块均属于 Si-Mn-Cr 系新型贝氏体钢，前者碳含量高于后者；翼轨为 U75V 钢，其 C 含量接近共析点，为珠光体钢。以上 3 种零件均为正火态下使用。拉伸性能见表 2，材料强度均超过1200MPa，属于高强度钢，心轨和翼轨镶块的强韧性均高于翼轨。3 种试验材料均用于同一条重载铁道线路，心轨服役时间为 4 个月，翼轨镶块和翼轨服役时间均为 10 个月。心轨和翼轨镶块经超声波例行检查，发现内部核伤尺寸超标下道，翼轨因断裂下道。表1试样的化学成分（质量分数/%）Table1Chemicalcompositionofsamples(massfraction/%)SampleElementcontentCSiMnSPCrMoPointrail0.391.701.800.0030.0151.260.40Wingrailinsert0.331.741.800.0020.0131.250.39Wingrail0.750.680.890.0100.018表2试样的拉伸性能Table2TensilepropertiesofsamplesSampleStrengthofextensionm/MPaYieldstrengthp0.2/MPaElongationA/%ReductionZ/%Pointrail1525114413.543Wingrailinsert1426111915.548Wingrail128280811.5281.2试验方法采用线切割对试样缺陷部位进行金相截取，对截取的试样进行磨制、抛光，抛光面采用 4%（体积分数）硝酸酒精溶液浸蚀。光学金相组织表征采用显微镜，电子金相组织表征采用扫描电子显微镜，能谱分析采用能谱仪，显微硬度分析采用显微硬度计（试验载荷为 300g，保载时间为 10s）。2试验结果与讨论2.1宏观观察和金相组织检查图 1a、图 1b 分别为心轨、翼轨镶块缺陷截面宏观形貌，可见缺陷为裂纹特征，均为内部裂纹（红色箭头处）。其中，心轨试样中存在 2 条大致208失效分析与预防第18卷平行的裂纹，短裂纹长度约 5mm，距离顶面 4mm，长裂纹长度约 25mm，最深处距离顶面约 8mm。2 条裂纹与侧面距离相当，约 1mm。图 1c 为翼轨裂纹断口表面宏观形貌，断面光滑，宏观可见疲劳弧线，疲劳弧线收敛于箭头处。该位置为疲劳源区，距离顶面约 12mm，为典型的近表面滚动接触疲劳裂纹扩展断裂。3 件试样内部裂纹起源深度均与文献 7 相符，即均位于距离顶面 325mm 处。图 2 为心轨试样的显微组织形貌。可见裂纹不同位置均存在白色组织，且该组织并不是连续的整体，而是被微裂纹分割成大小不一的小块，尺寸与基体组织相近；白色组织内未见其他明显组织结构特征，且与基体之间无明显过渡区。附近基体显微组织为针状贝氏体。图 3 为翼轨裂纹断口金相组织，在源区附近同样发现白色组织。图 4为不同试样的基体显微组织，心轨和翼轨镶块的组织相近，均为针状贝氏体（图 4a、图 4b），翼轨组织为细珠光体+少量铁素体（图 4c），未见 TB/T2344.12020 中要求的马氏体、贝氏体及晶界渗碳体等异常组织。(a)Point rail crack section(b)Wing rail insert crack section (c)Wing rail crack surface图1不同试样裂纹截面或表面宏观形貌Fig.1Macro-morphologyofcracksectionsorsurfaceofdifferentsamples20 m20 m(a)End of the cracks(b)Cracks in the middle图2心轨裂纹内白色组织显微形貌Fig.2Micro-morphologyofwhitestructurewithinthecracksinpointrailCutting section for metallographic examinationWhite structure20 m(a)Cutting position for metallographic sample(b)Microstructure图3翼轨裂纹源区附近显微形貌Fig.3Microstructurenearthewingrailcracksourcearea第3期王安友，江莉，茶浪，等:重载铁道线辙叉零件滚动接触疲劳白色组织性能表征及分析2092.2微观组织检查图 5 为心轨试样白色组织及分界处的电子显微形貌。白色组织内部呈现方向与裂纹平行的纤维层状变形组织特征（图 5a 箭头处），纤维宽度为纳米级，无其他结构；白色组织与基体分界处同样存在纤维层状变形组织特征（图 5b 箭头处），方向与白色组织的纤维方向一致，但其显微尺寸相对白色组织内的纤维变形组织较大，该区域为基体与白色组织的过渡区，尺寸约为 3.4m。过渡区显微组织与基体相近，均为由亚片条、亚单元等组成的条束状贝氏体组织11。这与在光学显微镜下观察结果略有差异，光学显微镜下未能辨别出过渡区，主要是受分辨率的限制。翼轨镶块和翼轨白色组织的微观形貌与心轨相同，在白色组织内部均发现纤维变形组织，同时也存在尺度与心轨试样相当的 m 级过渡区组织。Transition zoneFiber deformed structure3.4 m2 m2 m(a)Inner microstructure of white structure(b)Boundary microstructure图5白色组织及其附近区域电子显微形貌Fig.5SEMmorphologyofwhitestructureanditsadjacentarea2.3能谱分析图 6 为心轨白色组织及附近基体的能谱分析位置，分析结果见表 3。结果表明：白色组织（位置 3）和基体（位置 1）成分相同，主要含 Fe、Mn、Si、Cr 等金属元素，且含量相近；裂纹内（位置 2）C 元素含量较高，为镶嵌料填充物，此外还存在Fe 的氧化物。白色组织的成分与基体无明显差异，与文献 8 描述相符，为基体因局部产生高温再冷却而产生马氏体相变，形成 C 的过饱和固溶体，因此成分与基体无异。翼轨镶块、翼轨对应位置的能谱分析结果与心轨一致。2.4显微硬度分析图 7 为心轨白色组织及附近基体的显微硬度测试结果，白色组织显微硬度平均值约为 HV897，裂纹附近基体显微硬度平均值约为 HV522，远离20 m20 m20 m(a)Point rail(b)Wing rail insert (c)Wing rail图4不同试样基体显微组织Fig.4Matrixmicrostructureofdifferentsamples12350 m图6能谱分析位置Fig.6Energyspectrumanalysispositions210失效分析与预防第18卷裂纹处的基体显微硬度平均值约为 HV465。可见，白色组织硬度明显高于附近基体和远端基体，附近基体的硬度略高于远端基体，因此附近基体对应过渡区。图 8 为不同试样白色组织的显微硬度测试结果。可见，翼轨镶块的白色组织显微硬度最高，平均值约 HV1165；心轨的白色组织显微硬度次之；翼轨的白色组织的显微硬度最低，平均值约 HV651。0200400600800100012001400123Testing positionPoint railWing rail insertWing railHV图8不同试样白色组织显微硬度测试结果Fig.8Micro-hardness testing results of white structure in differentsamples翼轨镶块白色组织的显微硬度最高达到约HV1165，远远超过该材料正常淬火马氏体组织的硬度，这可能主要与其内部纤维层状组织有关。该层状组织因反复的挤压变形形成，由于反复加工硬化的原因导致硬度增加12。另一方面，由图 8可知，不同材料经不同工况形成的白色组织的硬度也有较大差异，主要表现为以下 2 个方面的特点：一是在循环次数相当的情况下，屈服强度较高的材料形成的白色组织硬度较高，如翼轨镶块相比翼轨服役时间相当，但前者由于屈服强度明显高于后者，因此其白色组织硬度较高；二是在屈服强度相当的情况下，承受循环载荷次数较高时形成的白色组织硬度较高，如翼轨镶块和心轨的屈服强度相差较小，但前者服役时间明显高于后者，因此其白色组织硬度较高。在同等循环载荷次数的作用下，材料自身强度越高，形成的白色组织硬度就越高，这主要是由其合金化程度决定的。而循环载荷导致硬度增加主要与材料的加工硬化程度有关。循环次数越多，硬化越充分，其硬度越高。由于是在狭小空间且相对封闭的环境中（裂纹内）进行的反复加工硬化，材料不至于破断而终止硬化，因此其加工硬化的程度明显高于拉伸试验时的加工硬化。3结论1）白色组织在贝氏体钢和珠光体钢中均会产生，是铁路辙叉零件（心轨、翼轨、翼轨镶块）在滚动接触疲劳载荷作用下产生的典型组织，可作为判断是否为滚动接触疲劳失效的重要证据。2）辙叉零件服役时，滚动接触疲劳形成的白色组织内部为纳米级的纤维层状结构，其化学成分与基体无明显差异；在白色组织与基体之间存在宽度约 3.4m、纤维尺寸略大（相对白色组织）的过渡区，过渡区组织与基体相近，均为由亚片条、亚单元等组成的条束状贝氏体组织。3）滚动疲劳载荷下形成的白色组织为马氏体组织，经一定周次的循环载荷作用后，其硬度可达到 HV1165，远远高于未经加工硬化的马氏体以及附近的贝氏体基体组织的硬度。4）白色组织硬度还与材料自身强度、循环载荷次数有关。当循环次数相当，材料强度越高，形成的白色组织硬度越高；当材料强度相当，循环次数越多，形成的白色组织硬度越高。表3能谱分析结果（质量分数/%）Table3Energyspectrumanalysisresults(massfraction/%)PositionElementcontentCSiMnFeCrMoCaAlO11.621.551.9993.041.380.41258.540.550.6429.160.400.450.110.0910.0631.431.591.8093.361.290.5302004006008001000123Testing positionWhite phasesNear white phasesFar away white phasesHV图7心轨试样不同区域显微硬度测试结果Fig.7Micro-hardnesstestingresultsofdifferentareasofpointrailsample第3期王安友，江莉，茶浪，等:重载铁道线辙叉零件滚动接触疲劳白色组织性能表征及分析211参考文献盛光敏,范镜泓,彭向和.PD3 钢轨钢接触疲劳裂纹扩展行为研究 J.金属学报,2000,36(2):131-134.1郭浩,雷建中,扈林庄.滚动轴承接触疲劳失效的影响因素及其研究现状 J.失效分析与预防,2019,14(3):206-211.2杨晓峰,于庆杰,王文雪,等.8Cr4Mo4V 材料钢球滚动接触疲劳试验研究 J.失效分析与预防,2021,16(5):295-299.3王安友,张挺,刘海波,等.K417G 低压涡轮转子叶片振动疲劳断裂特征研究 J.失效分析与预防,2020,15(4):227-231.4何雷.辙叉用新型贝氏体钢的冲击韧性与滚动接触疲劳特性研究 D.成都:西华大学,2014:12-16.5史密斯.钢轨滚动接触疲劳的进一步研究 J.中国铁道科学,2002,23(3):6-10.6张伟,郭俊,刘启跃.钢轨滚动接触疲劳研究 J.润滑与密封,2005(6):195-199.7濑户浩藏.轴承钢在 20 世纪诞生并飞速发展的轴承钢 M.陈洪真,译.北京:冶金工业出版社,2003:107,3-8.8陶春虎,刘高远,恩云飞,等.军工产品失效分析技术手册 M.北京:国防工业出版社,2009:438-441.9中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所.钢轨第1 部分:43kg/m73kg/m 钢轨:TB/T2344.12020S.北京国家铁路局,2020.10伦宁,秦超,孟凡妍,等.贝氏体组织及其精细结构 J.机械工程材料,2003,27(5):7-9.11陈伟,王辉,徐锟.UCM 轧机中间辊接触疲劳硬化层深度研究 J.失效分析与预防,2020,15(2):74-77.12（上接第 172 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