钢轨中马氏体组织的产生原因及其危害.doc

钢轨中马氏体组织的产生原因及其危害.!堡W.表1珠光体和高碳马氏体的基本特性比鞍摘要:钢轨中马氏体组织属于高碳马氏体组织,其基本特性是硬而脆且具有较大的裂纹敏感性,是造成钢轨突发性脆断的主要原因之一.分析了钢轨在加工,运输,焊接及使用过程中马氏体产生的原因及危害,提出了避免马氏体产生的措施.关键词:钢轨热处理马氏体珠光体断裂一一为了提高钢轨的强度和韧性,延长钢轨的使用寿命,各国钢轨生产和使用部门的经验表明:具有细珠光体组织的钢轨具有最佳的综合性能.因此,无论是普碳轨,还是强韧化台金轨或淬火轨,其组织都应是细珠光体组织不得有马氏体和贝氏体等组织.由于生产或使用原因产生的马氏体组织是造成钢轨突发性脆断的重要原因之,控制和避免马氏体组织的产生是钢轨生产和使用部门必须解决的问题.同时也应引起铁路物资供应部门的高度重视.一,钢轨中马氏体组织的基本特性钢轨钢的含碳量一般均大于0.6%,属于高碳钢,因此钢轨中的!氏体称之为高碳马氏体.高碳马氏体内部结构呈透镜片状(或称片状),片之间具有不同位向,大小也不一致,大片往往横跨原生的奥氏体晶粒.小片则被限制于大片之间,是后形成的.片状马氏体内的亚结构为细小孪晶,宽鹱约为几十到几百埃左右片状马氏体又称孪晶马氏体.由于马氏体组织转变引起较大的微观残余应力,在片状马氏体中常出现显微裂纹,尤其高碳钢的粗大马氏体片中更容易出现.显微裂纹的存在是从马氏体组织萌生疲劳裂纹和增加钢的裂纹敏感性的重要因素.高碳马氏体与珠光体组织的基本特性对比如表1:由珠光体和高碳马氏体的基本特性比较可知:1.相变产生高碳马氏体时会伴随着晶问微裂纹的产生:2.由于高碳马氏体比容大于珠光体,相变时会伴随产生巨大的内应力和切变应力,最高值可达1568MPa;3.高碳马氏体硬度很高,基本上没有塑性和韧性.综上所述,钢轨中产生的马氏体本身存在微裂纹和较大的内应力,且韧塑性极低.当钢轨承受轴重2125t的周期性弯曲力,接头冲击力和其它附加载荷时,含马氏体组织比正常珠光体组织的钢轨更容易产生疲劳伤损,甚至产生瞬时断裂,造成灾难性事故.二,钢轨中马氏体组织的产生及其危害钢轨中不锯有马氏体组织.但由于钢轨生产工艺控制或使用原因,往往会产生马氏体组织,从而对钢轨的使用造成危害.1.轧态钢轨中马氏体组织及其危害目前各国所采用的合金元素主要是,Cr.M0,v等,随着合金元素的加入,钢轨的机械性能明显提高但如果没有采取减少合金元素偏析的合1996第6期总85期第14卷理措施,容易形成钢轨中心线台金元素正偏析.在一般连铸坯生产的钢轨,如炼钢和连铸工艺控制不严,轨腰偏析区Cr,Mo和Mn合金元素含量将分别是钢轨原始成分的3,6和2倍.由于台金元素具有强烈推迟珠光体组织转变,促进马氏体组织转变的特性,使得偏析区的CCT曲线右移,因此,成分偏析极易形成条带状高碳马氏体组织.这种马氏体组织的显微硬度8241250HV,比珠光体基体高3倍以上=,与水淬火马氏体硬度相当(10971250ID,:).其危害主要表现在:钢轨在校直或使用过程中,当残余应力和使用应力叠加超过钢轨局部断裂强度时,钢轨中马氏体组织或马氏体之间产生裂纹钢轨在钻孔时,条带状马氏体组织易损害钻头,同时造成螺栓孔壁的不光滑,它们常常成为螺栓孔疲劳裂纹源因此,钢轨在使用过程中,由于螺栓孔周边应力集中和钢轨接头的动态冲击应力作用,使得存在条带马氏体组织的钢轨容易产生螺栓孔裂.由于轨腰存在马氏体条带产生裂纹并扩展造成断轨是可能的.尤其是条带状马氏体在钢轨端面露头,构成潜在裂纹源,在钢轨接头的动态冲击应力作用下,使得钢轨更容易产生开裂另外,在钢轨轧制成型过程中,因停留时间过长,局部c轧辊处)受冷却水作用,造成钢轨轨底角局部淬火,形成了马氏体组织和淬火裂纹,在使用过程中因轨底角局部产生横向裂纹造成钢轨断裂.2.钢轨热处理过程中产生的马氏体及其危害轨头全长淬火钢轨和轨端踏面淬火的普碳钢,在对钢轨端头进行淬火处理时,由于加热温度不均匀,冷却速度过快,导致帽形不规则及在淬硬层中出现马氏体组织,造戎运营中的轨端碎裂,掉块和踏面纵向裂纹,造成钢轨报废.3.钢轨焊接过程中产生的马氏体及其危害气压焊接头横向断裂.在焊后热处理时,在成分偏析处有马氏体和贝氏体组织存在,在热应力和组织应力作用下形成裂纹源,在继续使用中,裂纹疲劳扩展,最终导致钢轨折断.焊接钢轨轨底打火引起钢轨横向断裂.在采用接触焊工艺进行焊接过程中,由于轨底不平或钳口电极表面清理不干净,引起电极与钢轨表面打火,打火部位温度超过相变温度,局部熔融或形成马氏体区,在热应力和组织应力作用下萌生裂纹.使用中,裂纹疲劳扩展,导致钢轨横向折断.接头焊缝正火或踏面淬火工艺不当,导致淬硬层出现马氏体组织,造成接头踏面碎裂或横向疲劳断裂.4.钢轨使用原因产生的马氏体组织及其危害轨底角处的机械损伤引起钢轨横向折断.如果轨距拉杆的夹具与轨底角之间的配台不当,在列车运行时,产生较大的冲击力和摩擦力,使轨底角表层发生塑性变形.摩擦产生的高温形成马氏体白层,马氏体层中产生微裂纹,裂纹疲劳扩展,导致钢轨横向折断.擦伤引起钢轨横向断裂.由于机车起动时车轮空转等原因造成的严重擦伤产生较厚的马氏体层.马氏体层中出现的微裂纹,成为横向疲劳裂纹源,导致钢轨横向折断.打磨过热,引起钢轨折断.采用手砂轮打磨焊接接头轨腰焊瘤时,由于打磨温度过高,在打磨处表层产生了马氏体白层,其硬度值达到752H,而基体的硬度值仅为283HV.这样在热应力和组织应力作用下,白层中出现微裂纹,在使用中,裂纹疲劳扩展,发展成轨腰水平纵向裂纹.钢轨接续线焊接工艺不当引起钢轨横向折断.为设置通讯线路,在钢轨轨底表面采用堆焊方法把通讯线固定住.由于堆焊热影响区中形成粗大的马氏体组织,因此在使用中发生了断轨事故.轨头焊补引起钢轨横向折断.对钢轨踏面擦伤剥落和接头处马鞍型磨耗等缺蹈进行堆焊修补时,因堆焊质量不良或原有的裂纹没有打磨消除掉,在堆焊后和运行过程中产生裂纹,发展成横向疲劳裂纹.三,结论及建议1.钢轨中马氏体属于硬而脆的高碳马氏体,对使用性能是极为有害的;钢轨中不得有马氏体组织.2.合金钢轨在成分设计时应考虑其成分均匀及成分偏析状态下马氏体相变临界冷速,以确保在正常冷却条件下不产生马氏体组织,同时尽量避免在