高速铁路用38Si7弹条疲劳失效原因分析
时间：2023-06-20 15:55:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
葛艺 胡青凤 蒋波 张朝磊 刘雅政 孙林林
1.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；
3.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081
扣件系统是连接钢轨和轨枕的关键部件，对保证轨道稳定性、可靠性起到至关重要的作用［1-2］。弹条是为扣件提供良好弹性和扣压力的重要部件［3-6］。弹条在高速铁路行驶时起到了缓振降噪、固定钢轨的作用。但是，弹条在交变载荷作用下受力复杂［7］，最易出现疲劳失效，特别是未达到规定使用寿命就出现失效断裂，对行车和人身安全造成巨大伤害。
根据TB/ T 1495—2020《弹条Ⅰ型扣件》，经500 万次疲劳试验后，弹条应为不出现疲劳裂纹的良好服役工作状态。现有研究大多针对60Si2Mn、55Si2Mn等中高碳弹簧钢弹条的疲劳性能进行分析，而关于38Si7弹条疲劳失效机理的研究较少。因此，本文通过分析表面缺陷及内部组织对弹条疲劳性能的影响，从宏微观角度揭示38Si7 弹条疲劳失效的原因，为弹条的生产提供有效依据及指导。
试验材料选自国内某厂生产的SKL12 型38Si7 弹条，直径13 mm。其化学成分见表1。
表1 轧材化学成分 %
主要工艺流程：下料→感应加热→三道次成型→余热淬火→回火→防锈处理→成品。如图1 所示，试验用轧材在940～ 980 ℃进行热成型前的3～ 5 s感应加热，随后经过20 s成型模具热成型，制成弹条。以800～820 ℃的余热进行80 s淬火，430 ℃回火1 h。
图1 试验用轧材热处理工艺示意
试验内容包括：对弹条成品进行疲劳台架试验以评估其疲劳寿命，合格弹条疲劳寿命不小于500万次，否则为不合格成品；
利用蔡司Axio Scope.A1光学显微镜（OM）、ZEISS Gemini 500 扫描电子显微镜（SEM）观察分析弹条的显微组织和断口形貌；
利用EM1500L显微维氏硬度计与TH320 洛氏硬度计测量弹条的硬度；
利用Image Tool 软件确定脱碳层深度及评估残余铁素体级别。
弹条在经过970 ℃感应加热后，进行820 ℃余热淬火及430 ℃回火1 h。试样经过疲劳试验145万次后发生断裂。
2.1 失效弹条的显微组织分析
为辨析失效弹条组织是否存在异常缺陷，对其表面不同位置进行OM和SEM观测，结果见图2。
图2 失效弹条显微组织及形貌
由图2 可知：弹条从边部到心部组织均匀性逐渐下降，边部及1/2 半径范围内主要为回火屈氏体组织，1/2 半径处还存在少量块状铁素体，心部为回火屈氏体与块状铁素体。心部残余铁素体平均面积占比1.9%，根据TB/ T 2478—1993《弹条金相组织评级图》，评价为2级，达到SKL12-38Si7弹条技术要求中残余铁素体不大于2级的要求。
2.2 失效弹条断口宏观及微观形貌
如图3 所示，失效弹条在尾部的弯曲内侧与前肢过渡段发生断裂，靠近断口存在宽约10 mm 的椭圆形表面压痕。
图3 失效弹条宏观形貌
为进一步查明弹条断裂的原因，用扫描电镜对断口进行观察，其微观形貌见图4。可知：从表面压痕处萌生裂纹源，继而向心部延伸形成裂纹扩展区，最后瞬间断裂形成瞬断区；
裂纹源及扩展区域约占断口的2/3，剩余为瞬断区；
裂纹源和疲劳裂纹扩展区未发现夹杂物，断口粗糙，形貌为明显的扭曲状，为典型的扭转疲劳断口形貌；
裂纹扩展区为解理断裂形貌，台阶相互汇合形成了河流花样，其行径基本沿袭了扩展的路径；
瞬断区断口韧窝分布密集，细小均匀并呈集群分布；
表面完全脱碳层与基体之间存在明显界面，紧邻脱碳层的基体出现明显的塑性变形。表面压痕和完全脱碳层皆可能是弹条断裂的影响因素，因此，从这两方面进一步分析失效原因。
图4 失效弹条断口微观形貌
2.3 失效弹条硬度与脱碳行为评价
对失效弹条断口附近横截面进行硬度检测。随机选取5 个测点，测试结果分别为44.9、44.6、44.9、44.5、45.4 HRC。计算可知平均硬度44.9 HRC，极差0.9 HRC，符合SKL12-38Si7 弹条回火后42～ 46 HRC的技术要求。
利用扫描电镜对脱碳层进行观察，并测试其表面组织的硬度，结果见图5。由图5（a）可知：完全脱碳时铁素体晶粒呈柱状且垂直，部分脱碳时组织为沿原奥氏体晶界的等轴铁素体和珠光体；
脱碳层与钢基体之间没有明显的分界线；
完全脱碳层在外表面深度分布较均匀。由图5（b）可知，部分脱碳层最大深度由硬度变化极点5#确定，部分脱碳层深度为109.2 μm。利用image tool软件测量图5（a）组织中柱状铁素体的厚度，得到完全脱碳层深度为50.7 μm，则总脱碳层深度为159.9 μm。由此可见，完全脱碳层占整个脱碳层的31.7%。完全脱碳层使弹条表面硬度下降，初步推断可能是表面疲劳强度下降造成的。
图5 失效弹条脱碳层分布及硬度
为分析弹条完全脱碳层是否对疲劳失效有影响，通过优化轧制过程工艺参数，降低终轧后轧材的脱碳层。具体措施包括：轧材的终轧温度提升至1 000 ℃，提高相变前冷却速度至6.3 ℃/s，相变后冷却速度2.2 ℃/s。控制脱碳后脱碳层分布及硬度见图6。可知：轧材的完全脱碳层深度降低到15.6 μm；
部分脱碳层最大深度由硬度变化极点5#确定，部分脱碳层深度为61.4 μm，总脱碳层深度为77.0 μm。相比于失效弹条，完全脱碳层深度降幅达69%。以此轧材生产的弹条在疲劳试验次数127 万次后仍然发生断裂，可见弹条的疲劳寿命未因完全脱碳层深度的减小而提升。
图6 控制脱碳后脱碳层分布及硬度
2.4 弹条失效原因及改进措施
通过对失效弹条进行微观组织、脱碳层、硬度、断口分析发现：微观组织较为均匀，无异常；
断口附近横截面硬度均匀，满足标准硬度范围；
降低轧材表面完全脱碳层深度未对成品弹条疲劳寿命带来有效改善；
裂纹源来自表面压痕，开裂位置正是弹条尾部支点。这是因为弹条在服役过程中长期遭受周期性扭转、弯曲等交变应力的综合作用［8］，压痕位置处于扭转疲劳薄弱区，故容易由此开裂，这说明压痕缺陷是导致弹条断裂的最主要原因。
从裂纹演变规律可知，弹条在高温热成型时由于模具原因产生了压痕，从而引入了局部附加拉应力，这种附加应力与工作应力的叠加增大了压痕位置的局部载荷，进而削弱了弹条疲劳强度。因此，在应力集中的循环作用下，弹条压痕附近的表面首先萌生疲劳裂纹并不断扩展，最后发生断裂失效［9-11］。
原模具压头在热成型时与余热约900 ℃的弹条相接触，弹条尾部弯曲变形并与模具弧形面摩擦，模具弧形面局部磨损形成凹坑，凹坑边缘存在环形尖角。在凹坑尖角压头的刮削作用下，弹条尾部出现宏观压痕缺陷［12］。在后续弹条热成型中，通过合理设计并优化模具形状及压下参数。具体措施为：通过在与弹条相接触的模具上加垫厚度为3～ 5 mm 硬质合金片，大幅消除模具型面上出现凹坑和磨损现象，有效提高热成型模具的耐磨性。消除成品弹条的压痕后，最终弹条疲劳性能得到有效改善。试验结果表明，500 万次疲劳寿命的成品的合格率达到95%以上。
1）失效弹条微观组织为回火屈氏体，从边部到心部无异常组织，心部残余铁素体不大于2级。
2）弹条平均硬度为44.9 HRC，满足标准中42～46 HRC的要求。经过控制轧材完全脱碳层深度，弹条表面的完全脱碳层深度从50.7 μm 下降至15.6 μm，降幅达69%，弹条疲劳寿命仍小于500万次，未因完全脱碳层深度的减小而提升。
3）断口的扩展行径始于弹条压痕缺陷处，在表面应力集中的循环作用下，疲劳强度不足以抵抗工作应力而开裂。通过优化模具设计，消除了弹条型面上的压痕，提高了弹条疲劳寿命。
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