地铁道岔辙叉心疲劳纹产生原因分析

刘忠贵

摘要：广州地铁某线路开通运营后， P60-9#辙叉心陆续出现疲劳纹甚至因疲劳贯通出现掉块，检测结果表明：伤损产生的根本原因是轮轨接触冲击应力超过了辙叉心的接触疲劳强度，导致叉心踏面表层金属在反复的轮轨冲击应力作用下萌生剥离裂纹并局部掉块，属于轮轨接触疲劳伤损类型。

关键词：辙叉心；疲劳纹；掉块；接触疲劳伤损

1. 概况

广州地铁某线路开通运营3-4月后，P60-9#辙叉心陆续出现疲劳纹甚至因疲劳贯通出现掉块。典型伤损如下图所示：距离叉心理论尖端约174mm~196mm的踏面位置存在一处明显剥离掉块，掉块宽度约10mm，深度为2mm；在剥离掉块后面距离叉心理论尖端约197mm~260mm的范围内可观察到与掉块上下边在一条线上的两条明显的剥离裂纹。

图1 辙叉心掉块位置宏观形貌

2. 检测情况

1.金相

按照图2在剥离掉块、剥离裂纹、肉眼未观察到明显剥离裂纹处分别取1#、2#、3#横向金相试样，金相磨面按图中箭头方向所示。

图2 辙叉心检测取样位置示意图

1.1 1#金相

1#金相试样踏面剥离掉块处腐蚀前后的显微组织低倍形貌如图3所示。踏面剥离掉块的深度约为2mm，该位置处的显微组织为奥氏体，未观察到超标碳化物及其他异常组织，表面存在塑性变形，并且在晶粒内存在大量的滑移带，表明该处金相组织受到了轮轨冲击应力的作用，表层组织产生了加工硬化。在掉块处还存在剥离裂纹，剥离裂纹自叉心踏面处萌生，沿与踏面呈约40°角倾斜向下向轨头内部扩展。

踏面剥离掉块处到基体内部的显微维氏硬度值，踏面表层的硬度值约为440HV0.2，硬化层深度约为7mm，基体的硬度值约为240 HV0.2。

图3 1#金相试样剥离掉块处显微低倍组织形貌

（a）腐蚀前；（b）腐蚀后

1.2 2#金相

2#金相试样踏面剥离裂纹腐蚀前后低倍形貌如图4所示，该处的显微组织为奥氏体，在晶粒内存在大量的滑移带，未观察到超标碳化物及其他异常组织。剥离裂纹起源于叉心踏面处，与踏面呈约40°角向轨头内部扩展，扩展至距踏面约1.85mm深度时上扬并向踏面扩展，该剥离裂纹随着车轮的冲击会形成新的掉块。

图4 2#金相试样剥离掉块处显微低倍组织形貌

（a）腐蚀前；（b）腐蚀后

1.3 3#金相

3#金相试样踏面附近的显微组织为奥氏体，在晶粒内存在大量的滑移带，未观察到超标碳化物及其他异常组织。

2.辙叉理化性能

按图2取样对辙叉理化性能进行分析，分析结果显示辙叉化学成分、拉伸性能、冲击性能均满足相关规范要求。

3. 结论

3.1辙叉心剥离裂纹呈鱼鳞状形貌，裂纹自踏面塑性变形层处萌生，沿与踏面呈约30°~40°角倾斜向下向内部扩展，随后逐渐转至沿叉心纵向扩展，其扩展深度与踏面塑性变形深度相对应。

3.2剥离裂纹和掉块的区域位于心轨与车轮刚接触区域，伤损产生的根本原因是轮轨接触冲击应力超过了叉心的接触疲劳强度，导致叉心踏面金属在反复的轮轨冲击应力作用下萌生剥离裂纹并局部掉块，属于轮轨接触疲劳伤损类型。

3.3辙叉心表层技术在轮轨冲击应力作用下发生塑性流动变形，产生加工硬化，硬化层深度约为7mm，踏面表层硬度从原始态的240HV0.2提高至440 HV0.2。

参考文献：

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[2]李世彦.强化高锰钢辙叉的途径及方法[J].铸造技术，1998，（1）：15-17.

[3]张敏，王为波，安强，周永欣，吕振林.高锰钢铁路辙叉表面龟裂剥落机理分析[J]，机械工程材料.2005.64-67