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【摘 要】对断裂II型弹条样品进行断口分析，金相、硬度检验，分析早期断裂失效的原因：原材料缺陷、回火工艺控制不当、表面脱碳、内应力影响等。对生产过程中遇到的引发弹条早期断裂失效的原因总结，提出改进措施。
【关键词】II型弹条；疲劳壽命；断裂分析；金相组织； 硬度；脱碳层
1.前言
1.1简介
II型弹条扣件是目前我国普通铁路普遍使用的钢轨与轨枕联接部件，主要是利用其弹性变形时所储存的能量来缓解机械震动和冲击作用，是在动载荷下承受长期的和周期性的弯曲及扭转等交变应力下工作，工作环境恶劣。
1.2主要技术要求
原材料为?覬13㎜的60Si2CrA热轧弹簧钢；弹条硬度为HRC42-47；金相组织应为均匀的回火屈氏体和索氏体,心部允许有微量的断续铁素体；表面脱碳层深度不得超过0.3㎜；弹条经500万次疲劳试验后不折断,残余变形不得大于1mm。
1.3生产工艺流程
原材料剪切→中频感应加热→热成型→油淬火→回火→防锈处理→成品检验→包装。
1.4弹条失效的主要形式
疲劳试验达不到500万次断裂。
本文对我们在生产过程中遇到的II型弹条早期断裂失效原因进行总结分析。
2.弹条断裂失效主要原因分析
2.1原材料缺陷
最大应力多发生在弹簧钢的表层，所以弹簧钢的表面质量对疲劳强度的影响很大。弹簧钢在轧制过程中造成的裂纹、疵点和伤痕等缺陷往往是造成弹条疲劳断裂的原因之一。另外，冶金缺陷如非金属夹杂物、气泡、折叠、元素偏析等等，也会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹。1#、2#样品都是原材料缺陷引起的早期断裂（见图1、图2）。
图1 1#样品断口宏观形貌
图2 2#样品断口宏观形貌，在断口上部存在明显原始裂纹
2.1.1硬度、金相、脱碳层深度检验
我们依据TB/T 3065.2-2002《弹条II型扣件 弹条》标准技术要求，在1#、2#样品断口附近取样分别进行硬度、脱碳层深度和金相组织检验，其结果都符合标准技术要求，证实该2件样品生产工艺及质量控制正常。
2.1.2 1#样品断口的微观金相检验
依据GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》进行微观金相检验。发现在断口的疲劳源部位表面存在有凸凹镶嵌物，该部位脱碳层深度明显大于附近的脱碳层深度（见图3），而基体的金相组织仍然正常（见图4）。根据上述特征判断在弹条疲劳源处存在着微小的折叠、夹杂或成分偏析等材质冶金缺陷，这种原始冶金缺陷是导致弹条发生早期疲劳断裂的直接原因。
图3 1#样品疲劳裂纹源部位的形貌特征放大400×
裂纹源处脱碳层明显增大并在凹陷处存在镶嵌物
图4 1#样品裂纹源附近基体金相组织为回火索氏体 放大500×
2.1.3 2#样品断口的微观金相检验
依据GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》进行微观金相检验。发现在裂纹表面下均存在有明显脱碳特征，而且裂纹部位的脱碳深度与弹条表面正常的脱碳深度基本一致，这表明该弹条在成型加热前的原料就存在表面裂纹,（见图5）。2#样品的基体金相组织均为正常回火屈氏体（见图6）。根据上述特征分析判定，该弹条在成型加热前就存在有严重的纵向折叠冶金加工缺陷，正是这种原材料的冶金加工缺陷导致弹条在加热成型淬火时进一步扩展，最终造成该成品弹条在钢轨组装受力时发生断裂失效。
图5 2#样品折叠裂纹部位的脱碳特征 放大50×
图6 2#样品金相组织为回火屈氏体 放大500×
2.2回火工艺控制不当
3#样品早期断裂失效原因是因为回火不充分，造成产品的硬度和金相组织异常，致使弹条韧性和抗疲劳性能严重降低，在弹条服役中发生早期断裂失效（见表一、图7、图8）。
表1. 3#样品硬度、脱碳层和金相组织检验结果与标准技术要求对比：
图7 3#样品脱碳层深度0.075mm 放大倍数250×
图8 3#样品金相组织：马氏体 放大倍数500×
2.3表面脱碳
脱碳层深度对弹条的疲劳寿命有显著影响，资料表明弹簧钢材表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限显著下降，而且，随着钢材表面脱碳层深度增加，疲劳寿命显著下降，特别是钢材表面脱碳层出现铁素体可降低疲劳极限50%。由于脱碳，弹条的表面硬度下降，在交变应力作用下容易产生裂纹，使弹条过早疲劳失效。另外，表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，引起应力集中，致使弹条全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区产生微裂纹，这些可见的或不可见的微裂纹成为应力集中区，并作为裂纹继续发展的起源，引起弹条的断裂。4#样品就是由于表面脱碳层深度增加造成的疲劳寿命降低（见表2、图9、图10）。
表2. 4#样品硬度、脱碳层和金相组织检验结果与标准技术要求对比：
图9 4#样品脱碳层深度0.200mm 放大倍数250×
图10 4#样品金相组织为回火屈氏体 放大500×
2.4淬火介质影响
我厂采用46号机械油作为弹条淬火介质，其工作温度在40℃-80℃，由于连续生产，淬火油温上升很快，我们采用循环水冷的方式给淬火油降温，由于管路腐蚀，冷却水曾渗入淬火油中，成型弹条与水接触急剧冷却，产生表面裂纹，影响弹条的疲劳寿命。冬天，油温低，刚开始生产的弹条，由于冷却速度快，也会造成质量不稳定。
2.5内应力的影响
弹簧钢经加热至920℃以上，在10秒内完成挤压成型后入油淬火，弹条中部、尾部弯曲内侧、两肢弯曲内侧会产生压痕、拉细现象，生成的内应力与淬火内应力相叠加，产生应力集中，严重时出现淬火裂纹，影响弹条的疲劳寿命。
2.6腐蚀的影响
弹条的工作环境恶劣，风吹日晒雨淋，甚至长期处在潮湿的环境中，氧化、腐蚀也影响弹条的疲劳寿命。
3.改进措施
（1）严格弹簧圆钢入厂检验，对剪切的棒料外观检查、超声波探伤检查。
（2）严格执行工艺纪律，定期检定各种监视、测量设备。
（3）改进淬火油的冷却方式，防止渗入水。冬天，生产前对淬火油加热。
（4）优化成型模具，提高弹条表面质量。
（5）及时回火，消除淬火内应力。
（6）弹条表面防腐处理。
4.结束语
引发弹条早期断裂的因素有多种，在生产过程中要不断总结、改进，确保产品质量，保障铁路的安全运营。
【参考文献】
［１］范喜顺等．?覬13.2mm60Si2CrA弹条疲劳断裂原因分析 河北冶金，2008．5．
［２］崔约贤，王长利.金属断口分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，1998：79-80.
［３］易汉平．铁路用II型弹条断裂的原因及改进措施，广西铁道，2009．1．
【关键词】II型弹条；疲劳壽命；断裂分析；金相组织； 硬度；脱碳层
1.前言
1.1简介
II型弹条扣件是目前我国普通铁路普遍使用的钢轨与轨枕联接部件，主要是利用其弹性变形时所储存的能量来缓解机械震动和冲击作用，是在动载荷下承受长期的和周期性的弯曲及扭转等交变应力下工作，工作环境恶劣。
1.2主要技术要求
原材料为?覬13㎜的60Si2CrA热轧弹簧钢；弹条硬度为HRC42-47；金相组织应为均匀的回火屈氏体和索氏体,心部允许有微量的断续铁素体；表面脱碳层深度不得超过0.3㎜；弹条经500万次疲劳试验后不折断,残余变形不得大于1mm。
1.3生产工艺流程
原材料剪切→中频感应加热→热成型→油淬火→回火→防锈处理→成品检验→包装。
1.4弹条失效的主要形式
疲劳试验达不到500万次断裂。
本文对我们在生产过程中遇到的II型弹条早期断裂失效原因进行总结分析。
2.弹条断裂失效主要原因分析
2.1原材料缺陷
最大应力多发生在弹簧钢的表层，所以弹簧钢的表面质量对疲劳强度的影响很大。弹簧钢在轧制过程中造成的裂纹、疵点和伤痕等缺陷往往是造成弹条疲劳断裂的原因之一。另外，冶金缺陷如非金属夹杂物、气泡、折叠、元素偏析等等，也会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹。1#、2#样品都是原材料缺陷引起的早期断裂（见图1、图2）。
图1 1#样品断口宏观形貌
图2 2#样品断口宏观形貌，在断口上部存在明显原始裂纹
2.1.1硬度、金相、脱碳层深度检验
我们依据TB/T 3065.2-2002《弹条II型扣件 弹条》标准技术要求，在1#、2#样品断口附近取样分别进行硬度、脱碳层深度和金相组织检验，其结果都符合标准技术要求，证实该2件样品生产工艺及质量控制正常。
2.1.2 1#样品断口的微观金相检验
依据GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》进行微观金相检验。发现在断口的疲劳源部位表面存在有凸凹镶嵌物，该部位脱碳层深度明显大于附近的脱碳层深度（见图3），而基体的金相组织仍然正常（见图4）。根据上述特征判断在弹条疲劳源处存在着微小的折叠、夹杂或成分偏析等材质冶金缺陷，这种原始冶金缺陷是导致弹条发生早期疲劳断裂的直接原因。
图3 1#样品疲劳裂纹源部位的形貌特征放大400×
裂纹源处脱碳层明显增大并在凹陷处存在镶嵌物
图4 1#样品裂纹源附近基体金相组织为回火索氏体 放大500×
2.1.3 2#样品断口的微观金相检验
依据GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》进行微观金相检验。发现在裂纹表面下均存在有明显脱碳特征，而且裂纹部位的脱碳深度与弹条表面正常的脱碳深度基本一致，这表明该弹条在成型加热前的原料就存在表面裂纹,（见图5）。2#样品的基体金相组织均为正常回火屈氏体（见图6）。根据上述特征分析判定，该弹条在成型加热前就存在有严重的纵向折叠冶金加工缺陷，正是这种原材料的冶金加工缺陷导致弹条在加热成型淬火时进一步扩展，最终造成该成品弹条在钢轨组装受力时发生断裂失效。
图5 2#样品折叠裂纹部位的脱碳特征 放大50×
图6 2#样品金相组织为回火屈氏体 放大500×
2.2回火工艺控制不当
3#样品早期断裂失效原因是因为回火不充分，造成产品的硬度和金相组织异常，致使弹条韧性和抗疲劳性能严重降低，在弹条服役中发生早期断裂失效（见表一、图7、图8）。
表1. 3#样品硬度、脱碳层和金相组织检验结果与标准技术要求对比：
图7 3#样品脱碳层深度0.075mm 放大倍数250×
图8 3#样品金相组织：马氏体 放大倍数500×
2.3表面脱碳
脱碳层深度对弹条的疲劳寿命有显著影响，资料表明弹簧钢材表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限显著下降，而且，随着钢材表面脱碳层深度增加，疲劳寿命显著下降，特别是钢材表面脱碳层出现铁素体可降低疲劳极限50%。由于脱碳，弹条的表面硬度下降，在交变应力作用下容易产生裂纹，使弹条过早疲劳失效。另外，表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，引起应力集中，致使弹条全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区产生微裂纹，这些可见的或不可见的微裂纹成为应力集中区，并作为裂纹继续发展的起源，引起弹条的断裂。4#样品就是由于表面脱碳层深度增加造成的疲劳寿命降低（见表2、图9、图10）。
表2. 4#样品硬度、脱碳层和金相组织检验结果与标准技术要求对比：
图9 4#样品脱碳层深度0.200mm 放大倍数250×
图10 4#样品金相组织为回火屈氏体 放大500×
2.4淬火介质影响
我厂采用46号机械油作为弹条淬火介质，其工作温度在40℃-80℃，由于连续生产，淬火油温上升很快，我们采用循环水冷的方式给淬火油降温，由于管路腐蚀，冷却水曾渗入淬火油中，成型弹条与水接触急剧冷却，产生表面裂纹，影响弹条的疲劳寿命。冬天，油温低，刚开始生产的弹条，由于冷却速度快，也会造成质量不稳定。
2.5内应力的影响
弹簧钢经加热至920℃以上，在10秒内完成挤压成型后入油淬火，弹条中部、尾部弯曲内侧、两肢弯曲内侧会产生压痕、拉细现象，生成的内应力与淬火内应力相叠加，产生应力集中，严重时出现淬火裂纹，影响弹条的疲劳寿命。
2.6腐蚀的影响
弹条的工作环境恶劣，风吹日晒雨淋，甚至长期处在潮湿的环境中，氧化、腐蚀也影响弹条的疲劳寿命。
3.改进措施
（1）严格弹簧圆钢入厂检验，对剪切的棒料外观检查、超声波探伤检查。
（2）严格执行工艺纪律，定期检定各种监视、测量设备。
（3）改进淬火油的冷却方式，防止渗入水。冬天，生产前对淬火油加热。
（4）优化成型模具，提高弹条表面质量。
（5）及时回火，消除淬火内应力。
（6）弹条表面防腐处理。
4.结束语
引发弹条早期断裂的因素有多种，在生产过程中要不断总结、改进，确保产品质量，保障铁路的安全运营。
【参考文献】
［１］范喜顺等．?覬13.2mm60Si2CrA弹条疲劳断裂原因分析 河北冶金，2008．5．
［２］崔约贤，王长利.金属断口分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，1998：79-80.
［３］易汉平．铁路用II型弹条断裂的原因及改进措施，广西铁道，2009．1．