分享：地鐵道岔滑床板斷裂失效分析

李二勇,王 建,張奕梁

(深圳市帆泰檢測技術有限公司,深圳 ５１８０５５)

    摘 要:采用斷口宏微觀分析、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試等方法對某地鐵道岔滑床板斷裂的原因進行了分析.結果表明:滑床板失效模式屬于疲勞斷裂,焊接工藝不當導致焊縫位置晶粒粗大、硬度偏低以及存在應力集中等是其發生疲勞斷裂的主要原因,并由此提出了改進措施.

    關鍵詞:滑床板;焊縫;疲勞斷裂;焊接工藝;應力集中

     中圖分類號:U２１４．８＋１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５９５Ｇ０４

FailureAnalysisonFractureoftheSlidePlateofaMetroTurnout

LIEryong,WANGJian,ZHANGYiliang

(ShenzhenFantaiTestTechnologyCo．,Ltd．,Shenzhen５１８０５５,China)

    Abstract:By meansofmacroand microfractureanalysis,chemicalcompositionanalysis,metallographic

examinationandhardnesstest,thefracturereasonsoftheslideplateofametroturnoutwereanalyzed．Theresultsshowthatthefailuremodeoftheslideplatewasfatiguefracture．Thecoarsegrainandlowerhardnessoftheweldseamcausedbytheimproperweldingprocedure,aswellasthestressconcentrationatrootoftheweldseam,weremainreasonsforthefatiguefracture．Finally,thecorrespondingimprovementmeasureswereputforward．

    Keywords:slideplate;weldseam;fatiguefracture;weldingprocedure;stressconcentration

      某地鐵線路軌道滑床板近期出現多處斷裂失效現象,表現為基板完全斷開.斷裂滑床板服役時間從３個月到半年不等,該批次滑床板、鋼軌供應商及生產工藝與以往批次相比均沒有變更,服役環境為地鐵隧道內.列車運行中變軌時,鋼軌在滑床表面橫向移動,移動距離大約為滑床長度的一半.滑床截面呈 Π 形(中空),其兩側外緣與基板焊接在一起,如圖１和圖２所示,服役時表面承受周期性的壓力(來自于列車車輪的滾動),基板下方墊有２０mm厚的橡膠墊,用以吸收列車經過時的振動.滑床和基板材料牌號未知.筆者通過多種理化檢驗方法以及綜合分析,查明了該滑床板斷裂失效的模式和原因,并提出了改進建議,以避免類似失效的再發生.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀分析

    斷口宏觀檢查可見,滑床板左右焊縫均有貫穿裂,紋,裂紋源均位于焊縫末端與基材的交界線位置,該處為應力集中點[１].裂紋初始向下后方小角度擴展,隨后大角度向下后方擴展,在裂紋深度距離基材表面４mm 左右時開始向左右 兩 側 及 下 方 ３ 個 方 向 擴展,如圖３所示.左側焊縫裂紋起源區發現焊縫末端存在較大孔洞,如圖４所示;右側焊縫裂紋起源區未發現焊接孔洞缺陷,如圖５所示.圖４中虛線箭頭指示了裂紋的總體擴展方向,在該線條兩側另有次要擴展方向.

１．２ 化學成分分析

     采用化學元素分析法對基板和滑床進行化學成分分析.由表１可見,基板和滑床的化學成分均符合 GB/T７００－２００６«碳素結構鋼»對 Q２３５鋼成分的技術要求.

１．３ 斷口掃描電鏡分析

    采用掃描電鏡(SEM)對失效滑床板斷口進行表面微觀形貌觀察,可見斷口表面覆蓋大量氧化產物,且左側斷口表面摩擦嚴重,右側斷口摩擦較為輕微.源區(焊縫根部)發現焊縫表面有凹坑,如圖６所示;擴展區以疲勞輝紋為主要微觀形貌,如圖７所

示;終斷區以等軸韌窩為主要微觀形貌.

１．４ 金相檢驗

    失效件和正常件的基板和滑床顯微組織均以珠光體＋鐵素體為主,其中焊接熱影響區有網狀鐵素體＋魏氏組織鐵素體＋珠光體,基板顯微組織為鐵素體＋珠光體,滑床顯微組織為帶狀鐵素體＋珠光體,見圖８~１１.從焊縫截面可以清晰地看出:失效件 和正常件的焊接方法不同,正常件焊道明顯分為上下兩層(表層焊道和底層焊道,其中表層焊道結晶方向與截面垂直,底層焊道結晶方向與截面平行);而失效 件 焊 道 僅 為 一 層 (焊 縫 結 晶 方 向 與 截 面 平行);另 正 常 件 焊 縫 中 發 現 有 焊 接 孔 洞 缺 陷,見圖１２和圖１３.

    上下兩層(表層焊道和底層焊道,其中表層焊道結晶方向與截面垂直,底層焊道結晶方向與截面平行);而失效 件 焊 道 僅 為 一 層 (焊 縫 結 晶 方 向 與 截 面 平行);另 正 常 件 焊 縫 中 發 現 有 焊 接 孔 洞 缺 陷,見圖１２和圖１３.

１．５ 硬度測試

    分別對失效件和正常件焊縫截面試樣進行硬度測試,測試位置如圖 １２ 和圖 １３ 所示,測試結果見表２,可見失效件和正常件基體硬度接近,而失效件焊縫硬度比正常件焊縫硬度低３０％~６０％.

２ 分析與討論

    由化學成分分析結果可知,失效地鐵道岔基板和滑床材料均為 Q２３５鋼.由金相檢驗結果可知,失效件和正常件基板和滑床的顯微組織均以珠光體＋鐵素體為主,其中滑床有帶狀組織.從焊縫截面形貌可以看出,失效件和正常件的焊接方法不同,失效件只能夠看到一層焊道,而正常件能夠看到兩層焊道.正常件底層焊道有焊接孔洞,失效件焊縫在焊道與滑床側面交界處發現孔洞.由硬度測試結果可知,失效件和正常件基體硬度接近,而失效件焊縫 硬度低于正常件焊縫硬度３０％~６０％.由斷口分析結果可知,失效件左側和右側裂紋源均位于焊縫末端與滑床側邊交界位置(即滑床與基板縫隙的末端),該處為應力集中點.綜上所述,滑床板斷裂是由于失效件焊縫晶粒粗大、硬度低,焊縫末端與滑床側邊交界位置原本就存在應力集中,在車輛行駛時的周期性壓力作用下,此處萌生裂紋,隨后裂紋沿著熱影響區與基材交界面向焊縫內部擴展,到達熱影響區最低點時改向硬度更低的基體內部擴展,最終形成疲勞斷裂[２Ｇ５].

３ 結論及建議

    滑床與基板焊縫處存在焊接缺陷,是導致滑床板在焊縫處疲勞斷裂的主要原因.建議改善焊接工藝,收焊時焊槍停留時間適當縮短;另外采用正常件的焊接工藝,即在滑床和基板交界線處分兩次焊接,有利于改善晶粒粗大和應力集中問題用 X射線的衍射原理可進行殘余應力測試、殘余奧氏體含量測定和物相分析等;③利用 X 射線的電離作用進行元素和價態分析等.限于篇幅,本次只是對這門技術從原理到實際應用進行了一些簡單的概述.

(文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 2017年 > 8期 > pp.595）