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摘要：由于轴载，列车运行速度及运量不断提高，在国内外铁路上，轨头接触疲劳伤损大量增多(如剥离或由它引起的黑核，轨头纵向疲劳裂纹等)，不仅成为直线钢轨并且也是大半径曲线钢轨失效的主要原因。本文从对钢轨接触疲劳伤损形成机理的分析入手，阐述了目前钢轨接触疲劳伤损的分类及产生的原因，并在最后论述了钢轨接触疲劳伤损的减缓及预防措施。
关键词：钢轨接触疲劳伤损；成因；预防
Abstract: due to the shaft load, train operation speed and capacity continuously improve at home and abroad, railway, rail head contact fatigue increasing number of wounds (such as stripping or by it causes black nuclear, rail head longitudinal fatigue crack, etc.), not only as linear rail and is also big radius curve rail the main reason for the failure. This paper from the rail contact fatigue injury loss formation mechanism analysis, the present rail contact fatigue wounds classification and reasons, and finally discusses the rail contact fatigue wounds slow down and preventive measures.
Keywords: rail contact fatigue wounds; Cause; prevention
中图分类号： U213.4 文献标识码： A 文章编号：
一、钢轨接触疲劳伤损形成机理
接觸疲劳伤损的形成大致可分为三个阶段：第一期：钢轨踏面外形的变化。如，钢轨踏面出现不平顺，焊缝处出现鞍形磨损(弦长1m凹形深度会超过0.3mm)。这些表面不平顺增大了车轮对钢轨的动力冲击作用。第二期：轨头表面金属的破坏。由于轨头踏面金属的冷作硬化，使轨头工作面的硬度不断增长，通过总质量150-200Mt时，硬度达HB360。此后，冷锻硬化层不再发生变化，对碳素钢轨来说，其厚度为5-8mm。通过总质量200-250Mt时，在轨头表层形成微裂纹(由于金属表面薄层过渡硬化以及车轮滑行所致)，被微裂纹破坏的金属层厚度，在轨头中线及非工作边约0.5-1.5mm，在工作边约2-3mm。轨头表面及亚表面的动弯交变应力作用(车轮下为压应力，转向架两车轮之间为拉应力)，在等弹性的线路上，轨顶面产生的拉应力约为压应力的1/4，对于弹性非均等的线路或车轮及钢轨具有明显不平顺时，轨顶面所受之拉、压应力几乎相等，在后者的情况下，如果具有微裂纹，同时，挠曲拉应力与残余应力同号，会极大地降低钢轨强度，甚致在钢轨没有内部裂纹的情况下，抵抗脆断能力也将显著降低。第三期：轨头接触疲劳的形成。由于金属接触疲劳强度不足和重载车轮的多次作用，当最大剪应力作用点之剪应力超过剪切屈服极限时，会使该点成为塑性区域，车轮每次通过必将产生金属显微组织的滑移。经过一定时间的运营，这种滑移将产生积累和聚集，最终导致疲劳裂纹的形成。
钢轨接触疲劳伤损分类及其产生原因分析
根据目前钢轨接触疲劳伤损的形貌特征，接触疲劳伤损分为两种类型，一是剥离掉块伤损；二是严重的长龟裂纹伤损，又称“斜裂纹”伤损。前者是多年就已存在的伤损缺陷，后者是近年来线路运营条件发生较大变化后才出现，但发展迅速。
剥离
轨头剥离是指轨头工作边上圆角附近的一种破裂掉块的缺陷。剥离最初阶段，踏面上出现一些黑点，且其间距有一定的规律性。之后，踏面边缘有局部区域下降，可降低0.5mm。如将这些受伤处切开检查，可发现有些与踏面成一定角变的裂纹。这些内部裂纹的扩展方向与列车运行方向相反。一般情况下，裂纹的扩展是相互独立的，也有呈不规则的相三连贯的裂纹。在深度方向这些裂纹是倾斜的，当在表面之下发展成几毫米之后，几乎变成水平裂纹。当内部裂纹面积达到一定程度后，裂纹的顶层由于列车车轮的反复滚动作用而产生塑性变形，并在轨顶引起凹坑，裂纹表面附近颜色加；裂纹一旦产生并得以向前表面发展，裂纹发展到一定程度将形成剥离。在形成剥离的过程中，摩擦力起很大作用，车轮在钢轨踏面上的滚动伴有一定滑动。车轮对钢轨的反复作用，摩擦力在钢轨表面或亚表面层金属中形成脉冲拉应力，使裂纹在踏面表层金属内扩展，最终形成剥离。通常含碳量较低的钢轨，剥离出现早，发展慢，这是由于“软轨”磨耗速度大于剥离发展速度，不待剥离向深处发展就被磨掉，再出现再磨掉，因而剥离程度轻。含碳量高或含有合金元素或淬火硬化处理的钢轨，因强度和耐磨性能较高，剥离出现较晚，但因耐磨性能提高，剥离随时间向深处发展，因而剥离程度表现较严重。左钢轨接头附近和小半径曲线外轨工作边上圆角处，特别容易发生剥离。接头部分主要是冲击力引起的巨大接触应力所致，在小半径曲线外轨工作边主要是离心力引起的接触应力与轮轨相对滑动擦伤联合作用所致。应指出：钢轨顶部还经常见到由于钢轨制造缺陷所造成的轨头表面金属碎裂，这种伤损称为剥落，它与剥离的发生原因及出现地点均是不同的。前者是由于钢轨制造工艺不良，导致轨头表面存在细小发裂，皮下气泡、结疤及表面夹杂等制造缺陷，经列车作用，在这种缺陷处先出现裂纹，然后轨头表面金属发生碎裂或剥落，也可能发展成核伤，导致断轨。实践中应注意剥落与剥离区别。另外，轨头上圆角处发生剥离缺陷大致有三方面原因：其一，接触应力过大，而轨钢强度不足，造成剥离；其二，轨钢材质不良，由夹杂物引起剥离；其三，车轮及轨道不良维修所致。
轨头疲劳斜裂纹
轨头疲劳斜裂纹是最危险的一种伤损形式，会在列车动载作用下突然断裂。斜裂纹断轨次数增多，就可能产生脱轨。斜裂纹萌生率及其累积数与线路通过总质量有关，达到一定的通过总质量(以Mt计)后，斜裂纹轨(包括轻、重伤)的增长速度与通过总质量呈某种指数关系。通常观察到的斜裂纹，多在轨头工作边上圆角处萌生。伤损面在列车作用下不断扩展，其倾斜面与列车运行方向有关。当列车运行方向固定时，斜裂纹并不是铅垂地扩展，而是向列车运行方向(或重载方向)倾斜。铁科院2003年在对广深线斜裂纹伤损钢轨进行检验分析后认为：“斜线状剥离裂纹主要是位于轨距角一侧的踏面处和呈斜线状形貌，而且踏面裂纹没有发展成剥离掉块时就导致多起横向断裂，这是斜线状剥离裂纹与鱼鳞状剥离裂纹的伤损特点明显不同之处。斜线状剥离裂纹的形成，可能是与轮轨的接触方式有关，与应力较大有关”。
钢轨接触疲劳伤损的减缓及预防措施
1、净化轨钢，控制夹杂物的形态
轨头亚表面由疲劳引起的剥离、裂纹都和夹杂物(如MnS等)关系很大。氧化物夹杂的局部聚集，特别是在轨头内受最大切向力作用处夹杂物之聚集是引起接触疲劳缺陷导致钢轨失效的主要原因之一。轨钢中非金属夹杂物的分布、数量，形态对钢轨力学性能影响很大；因此，必须加强钢质净化和脱氧制度的研究工作。我们的邻国日本为了减少钢轨内的夹杂，增加硅含量，并用铝、钛脱氧，制作钢轨时用保温帽的方法防止出现偏析和缩孔，并引进美国材料试验协会缓冷处理技术以防止白点出现。
采用淬火钢轨，发展优质重轨，改进轨钢力学性质
以前，认为控制钢轨使用期限的因素是钢轨的抗磨性，强度计算是按屈服极限进行的容许应力计算、承载能力计算，它们均与轨钢静力强度的提高有关，即需要改善强度极限，屈眼极限及硬度指标。但事实上钢轨伤损钩特点为接触疲劳伤损，上述指标是不充分的。目前世界各国生产的未淬火钢轨，其金相组织为珠光体加少量铁素体，尤其经过缓冷坑缓冷的钢轨，珠光体是粗片珠光体，这种金相组织的钢轨在重载轨道上仍不耐磨、不耐压，强度低。随着冶金工业的发展，人们认识到高质量的轨钢不仅要求强度极限，屈眼极限及硬度指标要高，也要有理想的金属组织。实践证明通过热处理钢轨可以将轨头索氏体化，而轨头全长淬火直接获得淬火索氏体组织是最理想的。
改革旧轨再用制度，合理使用钢轨
从干线上换下采的旧轨必须经过整修，才能改铺到次要线上，否则是不经济、不安全的。研究表明：如果在焊接工厂只进行非综合修理(仅截锯轨端、焊接)，其伤损数量就比未修理过的少一半，尤其螺栓孔附近的裂纹造成的钢轨伤损大为减少。整修之重点是轨头全长刨光，只有对旧轨轨头全长刨光才能消除导致接触疲劳伤损、轨头剥层和轨头表面缺陷的疲劳源。实际上推迟了改铺以后旧轨的疲劳伤损。由此可见，旧轨改铺以前的整修工作是十分关键的。合理使用钢轨也是减缓接触疲劳伤损的重要措施。钢轨的第一轮使用不能超过标准吨位，如果“超期服役”太久，改铺之后，也会很快报廢，这是由于轨头内萌生的一些微裂纹及缺陷较多，深度不一，也不可能全部在钢轨整修中予以清除，改铺时，就已存在疲劳源，甚致有裂纹，在车轮多次作用下，裂纹迅速扩展而使钢轨失效。
钢轨打磨
经验表明：凡是钢轨使用寿命是由：疲劳因素决定的地段，如果使用十分耐磨的钢轨，其使用寿命反而短。这是因为耐磨使最大剪应力基本上固定集中发生在同一区域(轨面下5-7mm)。如果有磨耗，其最大；剪应力随磨耗而不断下降，不会在同一处固定不变。所以很多国家用打磨钢轨，修整轨头踏面外形的办法，使最大剪应力区在耐磨的轨头内向下移动，改善应力分布。经过打磨的钢轨能消除轨头表面缺陷，如波状磨耗，鞍形磨耗、掉皮及擦伤等，并使钢轨头部重新恢复了标准外形，减缓了钢轨内裂纹扩展速度，使钢轨寿命延长两倍，经济效果十分显著。
四、结语
钢轨的接触疲劳伤损在我国及其他国家均是近三十多年来才逐渐严重起来的，以前并不突出。从大量资料中可以看出：轴载的提高、大运量的运输条件、钢轨材质及轨型的不适应，将加速接触疲劳伤损的萌生及发展，因而在工作实践中，不断加强对铁路钢轨接触疲劳伤损的成因及预防措施的研究具有非常重要的现实意义。
参考文献：
[1]颜秉善 王其昌，钢轨力学与钢轨伤损，西南交通大学出版社,2009.11.
[2]王伟，钢轨伤损问题浅析，铁道标准设计，2005年12期
[3]张倩，铁道工务，中国铁道出版社,2007.11.
关键词：钢轨接触疲劳伤损；成因；预防
Abstract: due to the shaft load, train operation speed and capacity continuously improve at home and abroad, railway, rail head contact fatigue increasing number of wounds (such as stripping or by it causes black nuclear, rail head longitudinal fatigue crack, etc.), not only as linear rail and is also big radius curve rail the main reason for the failure. This paper from the rail contact fatigue injury loss formation mechanism analysis, the present rail contact fatigue wounds classification and reasons, and finally discusses the rail contact fatigue wounds slow down and preventive measures.
Keywords: rail contact fatigue wounds; Cause; prevention
中图分类号： U213.4 文献标识码： A 文章编号：
一、钢轨接触疲劳伤损形成机理
接觸疲劳伤损的形成大致可分为三个阶段：第一期：钢轨踏面外形的变化。如，钢轨踏面出现不平顺，焊缝处出现鞍形磨损(弦长1m凹形深度会超过0.3mm)。这些表面不平顺增大了车轮对钢轨的动力冲击作用。第二期：轨头表面金属的破坏。由于轨头踏面金属的冷作硬化，使轨头工作面的硬度不断增长，通过总质量150-200Mt时，硬度达HB360。此后，冷锻硬化层不再发生变化，对碳素钢轨来说，其厚度为5-8mm。通过总质量200-250Mt时，在轨头表层形成微裂纹(由于金属表面薄层过渡硬化以及车轮滑行所致)，被微裂纹破坏的金属层厚度，在轨头中线及非工作边约0.5-1.5mm，在工作边约2-3mm。轨头表面及亚表面的动弯交变应力作用(车轮下为压应力，转向架两车轮之间为拉应力)，在等弹性的线路上，轨顶面产生的拉应力约为压应力的1/4，对于弹性非均等的线路或车轮及钢轨具有明显不平顺时，轨顶面所受之拉、压应力几乎相等，在后者的情况下，如果具有微裂纹，同时，挠曲拉应力与残余应力同号，会极大地降低钢轨强度，甚致在钢轨没有内部裂纹的情况下，抵抗脆断能力也将显著降低。第三期：轨头接触疲劳的形成。由于金属接触疲劳强度不足和重载车轮的多次作用，当最大剪应力作用点之剪应力超过剪切屈服极限时，会使该点成为塑性区域，车轮每次通过必将产生金属显微组织的滑移。经过一定时间的运营，这种滑移将产生积累和聚集，最终导致疲劳裂纹的形成。
钢轨接触疲劳伤损分类及其产生原因分析
根据目前钢轨接触疲劳伤损的形貌特征，接触疲劳伤损分为两种类型，一是剥离掉块伤损；二是严重的长龟裂纹伤损，又称“斜裂纹”伤损。前者是多年就已存在的伤损缺陷，后者是近年来线路运营条件发生较大变化后才出现，但发展迅速。
剥离
轨头剥离是指轨头工作边上圆角附近的一种破裂掉块的缺陷。剥离最初阶段，踏面上出现一些黑点，且其间距有一定的规律性。之后，踏面边缘有局部区域下降，可降低0.5mm。如将这些受伤处切开检查，可发现有些与踏面成一定角变的裂纹。这些内部裂纹的扩展方向与列车运行方向相反。一般情况下，裂纹的扩展是相互独立的，也有呈不规则的相三连贯的裂纹。在深度方向这些裂纹是倾斜的，当在表面之下发展成几毫米之后，几乎变成水平裂纹。当内部裂纹面积达到一定程度后，裂纹的顶层由于列车车轮的反复滚动作用而产生塑性变形，并在轨顶引起凹坑，裂纹表面附近颜色加；裂纹一旦产生并得以向前表面发展，裂纹发展到一定程度将形成剥离。在形成剥离的过程中，摩擦力起很大作用，车轮在钢轨踏面上的滚动伴有一定滑动。车轮对钢轨的反复作用，摩擦力在钢轨表面或亚表面层金属中形成脉冲拉应力，使裂纹在踏面表层金属内扩展，最终形成剥离。通常含碳量较低的钢轨，剥离出现早，发展慢，这是由于“软轨”磨耗速度大于剥离发展速度，不待剥离向深处发展就被磨掉，再出现再磨掉，因而剥离程度轻。含碳量高或含有合金元素或淬火硬化处理的钢轨，因强度和耐磨性能较高，剥离出现较晚，但因耐磨性能提高，剥离随时间向深处发展，因而剥离程度表现较严重。左钢轨接头附近和小半径曲线外轨工作边上圆角处，特别容易发生剥离。接头部分主要是冲击力引起的巨大接触应力所致，在小半径曲线外轨工作边主要是离心力引起的接触应力与轮轨相对滑动擦伤联合作用所致。应指出：钢轨顶部还经常见到由于钢轨制造缺陷所造成的轨头表面金属碎裂，这种伤损称为剥落，它与剥离的发生原因及出现地点均是不同的。前者是由于钢轨制造工艺不良，导致轨头表面存在细小发裂，皮下气泡、结疤及表面夹杂等制造缺陷，经列车作用，在这种缺陷处先出现裂纹，然后轨头表面金属发生碎裂或剥落，也可能发展成核伤，导致断轨。实践中应注意剥落与剥离区别。另外，轨头上圆角处发生剥离缺陷大致有三方面原因：其一，接触应力过大，而轨钢强度不足，造成剥离；其二，轨钢材质不良，由夹杂物引起剥离；其三，车轮及轨道不良维修所致。
轨头疲劳斜裂纹
轨头疲劳斜裂纹是最危险的一种伤损形式，会在列车动载作用下突然断裂。斜裂纹断轨次数增多，就可能产生脱轨。斜裂纹萌生率及其累积数与线路通过总质量有关，达到一定的通过总质量(以Mt计)后，斜裂纹轨(包括轻、重伤)的增长速度与通过总质量呈某种指数关系。通常观察到的斜裂纹，多在轨头工作边上圆角处萌生。伤损面在列车作用下不断扩展，其倾斜面与列车运行方向有关。当列车运行方向固定时，斜裂纹并不是铅垂地扩展，而是向列车运行方向(或重载方向)倾斜。铁科院2003年在对广深线斜裂纹伤损钢轨进行检验分析后认为：“斜线状剥离裂纹主要是位于轨距角一侧的踏面处和呈斜线状形貌，而且踏面裂纹没有发展成剥离掉块时就导致多起横向断裂，这是斜线状剥离裂纹与鱼鳞状剥离裂纹的伤损特点明显不同之处。斜线状剥离裂纹的形成，可能是与轮轨的接触方式有关，与应力较大有关”。
钢轨接触疲劳伤损的减缓及预防措施
1、净化轨钢，控制夹杂物的形态
轨头亚表面由疲劳引起的剥离、裂纹都和夹杂物(如MnS等)关系很大。氧化物夹杂的局部聚集，特别是在轨头内受最大切向力作用处夹杂物之聚集是引起接触疲劳缺陷导致钢轨失效的主要原因之一。轨钢中非金属夹杂物的分布、数量，形态对钢轨力学性能影响很大；因此，必须加强钢质净化和脱氧制度的研究工作。我们的邻国日本为了减少钢轨内的夹杂，增加硅含量，并用铝、钛脱氧，制作钢轨时用保温帽的方法防止出现偏析和缩孔，并引进美国材料试验协会缓冷处理技术以防止白点出现。
采用淬火钢轨，发展优质重轨，改进轨钢力学性质
以前，认为控制钢轨使用期限的因素是钢轨的抗磨性，强度计算是按屈服极限进行的容许应力计算、承载能力计算，它们均与轨钢静力强度的提高有关，即需要改善强度极限，屈眼极限及硬度指标。但事实上钢轨伤损钩特点为接触疲劳伤损，上述指标是不充分的。目前世界各国生产的未淬火钢轨，其金相组织为珠光体加少量铁素体，尤其经过缓冷坑缓冷的钢轨，珠光体是粗片珠光体，这种金相组织的钢轨在重载轨道上仍不耐磨、不耐压，强度低。随着冶金工业的发展，人们认识到高质量的轨钢不仅要求强度极限，屈眼极限及硬度指标要高，也要有理想的金属组织。实践证明通过热处理钢轨可以将轨头索氏体化，而轨头全长淬火直接获得淬火索氏体组织是最理想的。
改革旧轨再用制度，合理使用钢轨
从干线上换下采的旧轨必须经过整修，才能改铺到次要线上，否则是不经济、不安全的。研究表明：如果在焊接工厂只进行非综合修理(仅截锯轨端、焊接)，其伤损数量就比未修理过的少一半，尤其螺栓孔附近的裂纹造成的钢轨伤损大为减少。整修之重点是轨头全长刨光，只有对旧轨轨头全长刨光才能消除导致接触疲劳伤损、轨头剥层和轨头表面缺陷的疲劳源。实际上推迟了改铺以后旧轨的疲劳伤损。由此可见，旧轨改铺以前的整修工作是十分关键的。合理使用钢轨也是减缓接触疲劳伤损的重要措施。钢轨的第一轮使用不能超过标准吨位，如果“超期服役”太久，改铺之后，也会很快报廢，这是由于轨头内萌生的一些微裂纹及缺陷较多，深度不一，也不可能全部在钢轨整修中予以清除，改铺时，就已存在疲劳源，甚致有裂纹，在车轮多次作用下，裂纹迅速扩展而使钢轨失效。
钢轨打磨
经验表明：凡是钢轨使用寿命是由：疲劳因素决定的地段，如果使用十分耐磨的钢轨，其使用寿命反而短。这是因为耐磨使最大剪应力基本上固定集中发生在同一区域(轨面下5-7mm)。如果有磨耗，其最大；剪应力随磨耗而不断下降，不会在同一处固定不变。所以很多国家用打磨钢轨，修整轨头踏面外形的办法，使最大剪应力区在耐磨的轨头内向下移动，改善应力分布。经过打磨的钢轨能消除轨头表面缺陷，如波状磨耗，鞍形磨耗、掉皮及擦伤等，并使钢轨头部重新恢复了标准外形，减缓了钢轨内裂纹扩展速度，使钢轨寿命延长两倍，经济效果十分显著。
四、结语
钢轨的接触疲劳伤损在我国及其他国家均是近三十多年来才逐渐严重起来的，以前并不突出。从大量资料中可以看出：轴载的提高、大运量的运输条件、钢轨材质及轨型的不适应，将加速接触疲劳伤损的萌生及发展，因而在工作实践中，不断加强对铁路钢轨接触疲劳伤损的成因及预防措施的研究具有非常重要的现实意义。
参考文献：
[1]颜秉善 王其昌，钢轨力学与钢轨伤损，西南交通大学出版社,2009.11.
[2]王伟，钢轨伤损问题浅析，铁道标准设计，2005年12期
[3]张倩，铁道工务，中国铁道出版社,2007.11.