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
[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。本文主要通过光学显微镜、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（White Etching Structure，WEC）进行理化性能表征和分析。结果表明：WEC内部为纳米尺度的纤维织构，成分与基体无明显差异，WEC与基体之间存在宽度约3.4μm的过渡区；WEC的硬度可高达1165 HV0.3，其高硬度与材料自身强度和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WEC硬度越高；材料强度相当，承受的循环次数越多，形成的WEC硬度越高。[关键词]滚动接触疲劳；白色组织（WEC）；纳米尺度；纤维织构;循环载荷
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，钢材的性能显著影响着零件的接触疲劳寿命[1~3]。辙叉的工作条件更为苛刻，当机车经过时，车轮将对其产生巨大的载荷冲击，同时还将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2~5倍[4]。目前我国铁路的主要线路上主要使用高锰钢整铸辙叉，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贝氏体钢得到了广泛应用[5]。但近年来，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的斜向内裂纹，其萌生和扩展从与表面呈约15°的角度开始，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，角度陡然增加至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3~5mm，最大也会到达表面以下25mm左右。
白色组织（White Etching Structure，WEC）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没有发现过[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WEC外，还有黑色组织（Dark Etching Structure，DEC）、WEC与基体边界处生成的透镜状碳化物（Lenticular Carbide，LC）以及被视为剥落部位的板状碳化物（Plate Carbide，PC）[8]。研究[8]认为WEC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WEC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。关于WEC内部结构的本质特征及性能分析报道较少。本文针对WEC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对滚动接触疲劳失效机理的进一步了解。
01
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（Point Rail）、翼轨镶块（Wing Rail Set Piece）、翼轨（Wing Rail）。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，其碳含量接近共析点，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2，3种材料的强度均超过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，服役时间心轨4个月，翼轨镶块和翼轨均为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。
1.2 试验方法采用线切割进行试样缺陷部位金相截取，对截取的试样进行磨制、抛光，抛光面采用4%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300g，保载时间10s）。
02
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两条大致平行的裂纹，其中短裂纹长度约5mm，距离顶面4mm，长裂纹长度约25mm，最深处距离顶面约8mm，两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，疲劳弧线收敛于图1c中箭头处，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3~25mm之间。
图2为心轨试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后的显微组织形貌，可见裂纹不同位置均存在WEC组织，该组织不是一个连续的整体，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，WEC组织内未见其它明显组织结构特征，WEC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，同样在源区附近发现WEC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和图4b），翼轨组织为细珠光体+少量铁素体（图4c），未见标准“TB/T 2344.1-2020”中规定的马氏体、贝氏体及晶界渗碳体等异常组织。
2.2 微观组织检查图5为心轨试样WEC及分界处的电子显微形貌，WEC内部存在方向与裂纹平行的纤维层状变形组织特征（图5a中箭头处），纤维宽度为纳米尺度，除此之外无其它结构。WEC与基体分界处放大后同样发现存在纤维层状变形组织特征（图5b中箭头处），方向与WEC的纤维方向一致,但其显微尺寸相对WEC内的纤维变形组织较大，该区域为基体与WEC的过渡区，尺寸约为3.4μm，过渡区显微组织特征与基体相近，均为由亚片条、亚单元等组成的条束状贝氏体组织[10]。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，主要是受分辨率极限的限制，不能对更加细微组织进行深入分析所致。翼轨镶块和翼轨形成的WEC的微观形貌与心轨相同，在WEC内部均发现存在纤维变形组织，同时也存在尺度与心轨试样相当的微米级过渡区组织。
2.3 能谱分析图6为心轨WEC组织及附近基体的能谱分析位置，分析结果见表3，翼轨镶块和翼轨对应位置的能谱分析结果与心轨一致。能谱分析结果表明：WEC（位置3）和基体（位置1）不仅元素组成相同，主要含Fe、Mn、Si、Cr等金属元素，且元素含量相近，由于能谱分析方法对轻元素（原子序数为9以前的元素）分析误差较大，因此实测C含量与材料本身C含量相差较大；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。WEC的成分与基体无明显差异，再次说明其与文献[8]描述相符，为基体因局部产生高温再冷却产生马氏体相变，形成碳的过饱和固溶体，因此成分与基体无异。
2.4 显微硬度分析图7为心轨WEC及附近基体显微硬度测试结果，WEC显微硬度平均值约为HV 897，裂纹附近基体显微硬度平均值约为HV 522，远离裂纹处的基体显微硬度平均值约为HV 465。可见WEC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WEC的显微硬度测试结果，可见翼轨镶块的WEC的显微硬度（平均值约HV 1165）最高，心轨的白色组织显微硬度（平均值约HV 897）次之，翼轨的WEC的显微硬度（平均值约HV 651）最低。翼轨镶块WEC的显微硬度最高达到约HV 1165，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，该层状组织应由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，不同的材料经不同工况形成的WEC的硬度也有较大差异，主要表现为以下两个方面的特点，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WEC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WEC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WEC硬度较高，如翼轨镶块和心轨屈服强度相差较小，但前者服役时间明显高于后者，因此其WEC硬度较高。在同等循环载荷次数作用下，材料自身强度越高，形成的WEC硬度越高，主要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。
03
结论
1）WEC在贝氏体钢和珠光体钢中均能产生，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WEC内部为纳米尺度的纤维层状结构，其化学成分与基体无明显差异，在WEC与基体之间存在宽度约3.4μm、纤维尺寸略大（相对WEC）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WEC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左右，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）WEC硬度还与材料自身屈服强度、循环载荷次数有关。循环次数相当，材料屈服强度越高，形成的WEC硬度越高；材料屈服强度相当，循环次数越多，形成的WEC硬度越高。
参考文献
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本文作者：王安友，就职于浙江国检检测技术股份有限公司，工程师，主要从事金属制件理化检测及失效分析方面的研究。
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