肖洪秀 伍曾 黃新杰

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

扣件系統(tǒng)將鋼軌固定在軌枕上，對聯(lián)結固定鋼軌和其他軌下基礎部件起主要作用，保證軌道的正確幾何形位，阻止其向縱向和橫向偏移。而扣件系統(tǒng)中彈條非常重要，彈條的材料、尺寸設計及其彈條安裝都影響著扣件系統(tǒng)功能的運行。彈條在運行期間多次承受著交變應力的周期性變化，在荷載長期作用下經常出現(xiàn)斷裂失效，使輪軌上作用力增加，加速軌道各部件性能破壞，軌道壽命縮短，危及行車安全。為提高行車安全，研究彈條斷裂問題非常重要。60Si2MnA材質彈條目前是國內WJ-7型扣件最常使用的彈條類型之一，分析60Si2MnA彈條出現(xiàn)斷裂失效的原因，有利于WJ-7型扣件的使用壽命和性能研究分析，對扣件的安裝和使用具有指導意義和價值提升。研究者主要從靜動態(tài)受力變形、材料特性和加工工藝兩方面進行研究。扣件彈條動、靜態(tài)受力方面，肖俊恒等[1]通過對軌道高頻振動的分析和高速鐵路鋼軌波磨的研究，得出出現(xiàn)共振是因為彈條固有頻率和軌道高頻激勵相一致，高頻振動造成彈條斷裂。蘇建鋒等[2]、高曉剛等[3-4]、肖宏等[5]對Ⅱ型彈條、PR單趾彈條、高速鐵路w型彈條和地鐵型彈條的振動特性、激勵影響，高頻效應、模態(tài)分析進行研究，認為共振引發(fā)彈條疲勞斷裂。劉玉濤[6]對扣件安裝螺栓預緊力、無砟軌道道床板計算，扣件彈條疲勞損傷研究，根據軸重即將達到1 100 Mt時更換全部扣件彈條。張景坤[7]建立了扣件系統(tǒng)有限元模型，將位移施加于螺栓表面，研究了動、靜力條件下扣件的疲勞性能，李波最[8]通過對無砟軌道WJ-7型扣件電阻應變測試試驗和有限元數(shù)值模擬結合確定彈條危險位置，根據扣壓力線性變化和數(shù)據變化規(guī)律，預測彈條工作時長。扣件彈條的材料和加工工藝方面，郭和平等[9]對60Si2MnA彈條斷口進行微觀觀察、檢測材料成分等，認為脫碳量太高，使含碳量不足導致材料熱處理硬度偏低而斷裂。陳培哲[10]研究60Si2MnA彈條在受力來自鋼軌扣件的情況下，彈條實際破壞點與其最大等效應力集中點相符合。本文基于拉扭疲勞試驗研究彈條斷裂問題，對60Si2MnA斷口進行全面分析。

1 彈條的生產工藝及化學成分

失效彈條的原材料為60Si2MnA熱軋盤條，生產工藝為：矯直切斷→連續(xù)加熱爐加熱→三道次熱彎成型→熱處理(淬火+回火)→表面拋丸處理→表面防銹處理→包裝入庫。

采用直讀光譜儀對失效件的化學成分進行分析,如表1，根據GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中的參考值可知，失效件的化學成分符合標準要求。

表1 60Si2MnA彈條的化學成分 wt%

2 60Si2MnA彈簧鋼斷裂建模計算

2.1 試件施加荷載

通過有限元軟件ABAQUS對60Si2MnA試件進行模擬分析，在有限元軟件中建立與試驗效果一樣的邊界約束和拉扭應力，建立邊界約束和施加荷載如圖1所示。向試件施加軸向的拉應力幅值為550、700、850 MPa 3個應力級別，切應力幅值為230、460、690 MPa 3個應力級別，切應力大小對應的扭轉角幅度分別為1°、2°、3°，模擬時3種拉應力幅值分別對應3種切應力幅值，進行模擬分析。拉應力幅值為550 MPa，扭轉角幅度為1°的應力圖如圖2所示[11]。試件受到拉力和扭矩的同時作用發(fā)生斷裂，主要原因為試件承載力不足，而根本原因則是循環(huán)疲勞荷載使試件斷裂，利用ABAQUS輸出ODB文件，將文件導入專業(yè)疲勞軟件FE-SAFE中模擬疲勞次數(shù)[12]。

圖1 建立邊界約束和施加荷載

圖2 拉應力550 Mpa、扭轉角1°時的應力

2.2 試件疲勞次數(shù)統(tǒng)計分析

將60Si2MnA彈條試件的ODB文件導入專業(yè)疲勞軟件FE-SAFE中計算試驗疲勞次數(shù)，60Si2MnA彈條試驗次數(shù)與模擬次數(shù)做對比,60Si2Mn彈條試驗次數(shù)與模擬次數(shù)接近，二者相差不大，說明60Si2Mn彈條疲勞損傷試驗具有正確性，拉應力為550 MPa，扭轉角為1°時60Si2Mn彈條試件疲勞次數(shù)最多達109 123次，拉應力為850 MPa，扭轉角為3°時60Si2Mn彈條試件疲勞次數(shù)最少，僅11 249次，試件在荷載多次循環(huán)作用下最終產生斷裂[13]。

3 試件宏觀斷口分析

彈條試件斷裂失效，是從試件損傷或裂紋的產生、積累到試件完全破壞的全過程。王文秀等[14]的SKI15型彈條失效分析結果表明，在彎曲扭轉力作用下彈條試件在彈條表面產生應力集中。60Si2Mn彈條試件斷口如圖3所示，圖3(a)中，彈條試件斷裂后取1 cm的試驗段用掃描電子顯微鏡(SEM)進行掃描,試驗采用拉應力幅值為550、700、850 MPa 3個應力級別，扭轉角幅度分別為1°、2°、3° 3個級別進行兩兩配對，試樣一共9組。圖3(b)為60Si2MnA彈條試件斷裂圖，部分試樣斷口放大。試件疲勞斷裂產生疲勞源區(qū)，疲勞裂紋萌生和疲勞斷口體現(xiàn)了試件疲勞的基本特征。

(a)1 cm的試件段圖樣

(b) 60Si2MnA彈條試件斷口

4 電子顯微鏡(SEM)掃描分析及結果

4.1 60Si2MnA彈條失效情況

選取拉應力幅值為550 MPa、850 MPa兩個應力級別，扭轉角幅度為3°的彈條掃描斷口分析，將各個切割后的彈條試件在SEM下觀察裂紋起源和擴展斷口的宏觀、微觀形貌。

4.2 試驗結果及分析

60Si2Mn彈條斷口的表面來看，可以觀察到產生疲勞斷口的3個階段包括裂紋的萌生、擴展和斷裂，基于此，疲勞破壞的斷口與此相對應，分別有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三部分。其中，斷口表面缺陷附近屬于疲勞源區(qū)，斷口上有嚴重的二次裂紋，疲勞擴展區(qū)斷口有放射線花樣，由以上特征可初步判斷彈條斷裂為疲勞失效。

4.2.1 疲勞裂紋源區(qū)

疲勞裂紋源區(qū)位于彈條表面，在原始的宏觀缺陷處，試樣在扭轉荷載及拉伸荷載作用下容易產生疲勞裂紋，加工時原始宏觀的缺陷，易導致材料在該位置應力集中從而使得裂紋產生[15]。試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的宏觀及微觀疲勞裂紋源區(qū)如圖4所示。圖4(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區(qū)，試樣的裂紋源區(qū)斷面較為平坦而且存在有放射狀花紋，出現(xiàn)明顯裂紋。圖4(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的裂紋源區(qū)出現(xiàn)以疲勞源為中心，向四周輻射的放射線和貝殼狀裂紋。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)如圖5所示。圖5(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的微觀裂紋源區(qū)存在有錯臺等特征，位于疲勞源區(qū)的材料內部呈現(xiàn)云浮狀。圖5(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋源區(qū)，材料的微觀裂紋源區(qū)云浮狀明顯。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.2 疲勞裂紋擴展區(qū)

疲勞擴展區(qū)存在放射線花樣圖，循環(huán)荷載的繼續(xù)作用使得形成的疲勞裂紋繼續(xù)向內慢速擴展，試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的疲勞裂紋擴展區(qū)如圖6所示。圖6(a)中，550MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴展區(qū)，試樣的疲勞擴展區(qū)斷面不平整，存在貝殼狀和錯臺。圖6(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞裂紋擴展區(qū)，材料的斷面出現(xiàn)放射線和貝殼狀，相比較于疲勞裂紋源區(qū)疲勞擴展區(qū)斷口表面的滑移線增多出現(xiàn)疲勞弧線。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區(qū)如圖7所示。圖7(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區(qū)，材料的微觀疲勞擴展區(qū)存在有蜂窩狀等特征，材料內部呈現(xiàn)云浮狀。圖7(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋擴展區(qū)，在高倍放大下的試樣微觀裂紋擴展區(qū)相較于疲勞裂紋源區(qū)空洞較多，存在疲勞條帶，斷口形貌呈現(xiàn)一個云浮狀態(tài)。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

4.2.3 瞬斷區(qū)

疲勞裂紋逐漸擴展，材料能夠受力的有效面積逐漸變小，當?shù)竭_一定值之后材料將發(fā)生斷裂，試樣在不同扭轉角及拉伸應力荷載下的宏觀疲勞瞬斷區(qū)如圖8所示[16]。圖8(a)中，550MPa-3°荷載下,材料的宏觀疲勞擴展區(qū)口較為粗糙且存在有斷面臺階。圖8(b)中，850MPa-3°荷載下的宏觀疲勞瞬斷區(qū)，斷口較為粗糙，存在不同裂紋面交匯形成的臺階面。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

試樣在550MPa-3°、850MPa-3°荷載下的微觀疲勞擴展區(qū)如圖9所示。圖9(a)中，550MPa-3°荷載下的微觀疲勞瞬斷區(qū)，材料內部出現(xiàn)韌窩現(xiàn)象。圖9(b)中，850MPa-3°荷載下的微觀疲勞裂紋瞬斷區(qū)，在高倍率放大下的材料的微觀瞬斷區(qū)具有明顯的韌窩現(xiàn)象，材料在外力作用下發(fā)生屈服變形產生韌窩，是出現(xiàn)在材料斷口上的半球形空洞的現(xiàn)象，因此60Si2MnA彈簧鋼為韌性材料。

(a)550MPa-3°

(b) 850MPa-3°

5 結論

綜合上述試驗與模擬分析，60Si2MnA彈條在拉扭作用過程中斷裂失效的可能原因有：

(1)通過軟件對試件疲勞次數(shù)進行模擬，結果與實驗結果相一致。試件施加荷載越小，能重復的疲勞次數(shù)越多，試件施加荷載越大，能重復的疲勞次數(shù)越少。

(2)對60Si2MnA彈條斷口分析宏觀、微觀現(xiàn)象，彈條表面部分脫碳，表面出現(xiàn)一些小缺口和拉傷溝壑，易在缺口處萌生裂紋。彈條為拉伸-扭轉疲勞開裂，裂紋有穿晶現(xiàn)象產生。

(3)扣件系統(tǒng)中，彈條后端小圓弧的內側承受應力值最先接近材料的極限值，在交變應力作用下，產生循環(huán)荷載，容易局部應力集中，因此最易產生裂紋。

(4)材料表面的缺陷容易導致疲勞裂紋的產生和發(fā)展，是循環(huán)荷載下彈條易發(fā)生疲勞斷裂的重要原因。

(5)對不同拉扭應力組合下的材料斷口進行電鏡掃描，分析了材料疲勞斷裂典型的3個區(qū)域，得出疲勞裂紋源區(qū)裂紋高低不平，擴展區(qū)裂紋呈較明顯的云浮狀態(tài)，而疲勞瞬斷區(qū)則出現(xiàn)了半球形空洞現(xiàn)象。