推凸质量对钢轨焊头使用性能的影响（二）

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　　在K297+33试件的2个裂纹尖端(图2)、K294+31试件裂纹右侧的2个分叉裂纹的尖端(图1)和其它部位未发现其它裂纹源；K294+31试件裂纹左部尖端已接近轨头底面(图1)，在沿轨头底面切割试件时试件自然分离，说明截取试件时未能保留左侧裂纹尖端，因此无法明确判断此处是否有另一裂纹源。但与K297+33试件对比，可见两裂纹形态相同，且都有基本相同的启裂点，因此，可基本确认294+31试件的焊瘤内靠推瘤的起始部位是唯一的启裂点。关于钢轨焊缝附近的轨腰纵向裂纹的裂纹源，文献[1]通过金相分析，认为是焊前钢轨端面存在微裂纹，而轨腰含碳量偏高和连续的网状渗碳体组织是造成焊前裂纹的原因。文献[2]认为钢轨闪光焊接头断裂的裂纹源在轨底和轨头，裂纹在轨底启裂是由于氧化使金属脱碳，轨头启裂是由于轮轨的冲击使轨头淬火层与基体界面出现疲劳裂纹。显然，本文中讨论的钢轨轨腰纵向裂纹与上述文献中的虽然都是疲劳裂纹，但裂纹源不同。

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　　2.2 　裂纹形态和形成机理

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　　与钢轨焊接头有关的裂纹形态可分为3类：S形、H形、∩形[3]。然而，不论裂纹最终形态如何，共同的特点是均有与钢轨重心线大致平行的扩展段。K294+31试件属S形(左侧)或H形(右侧)，K297+33试件属∩形。启裂点均在焊缝附近，裂纹通过疲劳扩展穿透轨腰厚度后，先大致沿与钢轨重心线平行的方向扩展，然后转向轨头和(或)轨底。

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　　根据此类裂纹的启裂点、裂纹形态和裂纹走向，可定性地分析裂纹启裂和扩展的机理。钢轨在轧制和较直过程中会产生残余应力[4，5]，轨腰部位如有纵向残余压应力，由于泊松效应会产生垂向拉应力，使轨腰沿重心线劈裂。焊接残余应力使钢轨中的残余应力更加复杂，但根据焊接残余应力分布的一般规律，轨腰厚度小于轨头和轨底，最先冷却，产生纵向残余压应力，是产生裂纹的力学因素。裂纹沿重心线方向扩展到转向之前的长度，应与焊接残余应力区长度有关。由图1、图2和裂纹长度数据可见，K294+31试件(气压焊)比K297+33试件(闪光焊)水平段长度长，这是与两者的加热区宽度相对应的。所以，尽管列车载荷会在钢轨外侧轨腰产生拉伸弯曲应力[6]，但K294+31和K297+33试件均在钢轨内侧轨腰启裂，可见此时裂纹的扩展方向主要受焊接残余应力控制。裂纹扩展穿过焊接残余应力区之后，扩展方向则主要受列车载荷的控制，使裂纹由纵向(水平)转为垂向。综上所述，显然焊接残余应力是裂纹启裂和扩展的重要力学因素。

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　　在钢轨的冶金(包括焊接冶金)因素、残余应力和列车载荷之间，究竟哪个因素起决定性作用，目前还难以定量分析，而且也缺乏准确详细的调查资料。例如，启裂点多数在钢轨内侧还是外侧，目前尚无资料可查。因此，笔者建议有关研究机构和施工、维修单位，开展对此类裂纹的调查，这将有利于加深对此类断裂的认识。

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　　3 　结论

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　　K294+31和K297+33试件均为疲劳断裂，且启裂点均在钢轨内侧。K294+31试件启裂源在焊瘤内部靠近轨腰表面与焊缝相交处，K297+33试件启裂源在焊瘤趾部。两试件焊缝和热影响区组织、硬度值和硬度分布无明显异常。

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　　K294+31和K297+33试件的裂纹形态与常见的类似裂纹相同，但启裂点与现有文献报道的不同。建议重视此类断裂现象，加强有关此类断裂事故的调查和研究。

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　　定性分析判断，此类裂纹受焊接残余应力控制，先沿钢轨重心线方向扩展，裂纹穿过焊接残余应力区后，则主要受列车载荷的控制，由沿重心线方向扩展转为沿垂向扩展，最终形成S形、H形或∩形裂纹。