[发明专利]一种纵横型核伤轨的取样及断口分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属失效分析领域，具体地说，涉及一种纵横型核伤轨的取样及断口分析方法

背景技术

列车通过钢轨时，由于轮轨接触的作用，在轨头踏面以下分布着接触剪应力。剪应力的分布和大小与列车通过的速度、列车的轴重以及轮轨接触的位置和接触面积大小均有关系。理论研究表明，在踏面下一定深度范围内（5～12mm）的轮轨接触剪应力较大，当在上述区域范围内，钢轨存在有沿钢轨轧制方向分布的非金属夹杂物时，在列车通过时的轮轨接触应力和动弯应力作用下，疲劳裂纹容易在夹杂物处萌生，并沿钢轨纵向扩展，扩展到一定时期以后，在轮轨动弯应力的作用下转而向钢轨轨头踏面和轨腰方向横向扩展，最终形成纵横裂型核伤。

疲劳断裂理论认为，在一定应力作用下，金属疲劳裂纹的萌生与扩展是有条件的，当缺陷的尺寸满足裂纹萌生临界尺寸时，就会产生裂纹的萌生与扩展。从这点来讲，在钢轨踏面下最大剪应力区存在有满足裂纹萌生条件的夹杂物缺陷，是产生钢轨纵横裂型核伤的主要原因。轮轨接触剪应力的大小主要是与线路曲线半径有关，所以纵横裂型核伤主要是出现在小半径曲线上股钢轨处。当接触剪应力较大时，疲劳裂纹容易在夹杂物处产生并扩展。因此，可以说钢轨的受力状态是钢轨产生纵横裂核伤的外部因素。

纵横裂核伤的伤损特点是先在轨头内部形成纵向疲劳裂纹，然后形成横向疲劳裂纹。在核伤初期的纵向疲劳裂纹断口处、可以观察到呈条状形貌特征的条状裂纹源和起源于条状裂纹源的疲劳弧线等形貌；在核伤后期或尺寸较大的纵向疲劳断口上通常观察不到疲劳弧线形貌和条状裂纹源、此时疲劳源区断口主要为辗压变形形貌。条状裂纹源一般是位于踏面下5～12mm深的部位且平行于踏面。横向疲劳裂纹是起源于纵向疲劳裂纹处并向轨底和轨头表面方向疲劳扩展；通常当横向疲劳裂纹扩展到轨头表面和轨头下颚后，将可能导致钢轨横向断裂。

当纵向疲劳裂纹或横向疲劳裂纹扩展到轨头表面后，疲劳裂纹开始受氧化腐蚀作用而使疲劳断口呈暗褐色现场称之为“黑核”。当疲劳裂纹没有扩展到轨头表面或刚扩展到轨头表面时，此时的疲劳裂纹没有受氧化腐蚀作用、其断口呈金属光泽现场称之为“白核”。

失效分析是一门系统工程，其中的分析技术是其理论和实践基础。失效分析技术主要包括痕迹分析技术、裂纹分析技术和断口分析技术等相关内容。断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。由于断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。因此，断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多内外因素综合作用的结果，对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索。由于重轨核伤的形成原因复杂，因此寻找核伤处的非金属夹杂物成为困扰失效分析技术人员的难点。北京航空航天大学材料学与工程学院的傅国如在失效分析技术中所作工作很多，另外关于断口分析技术的书籍国内有崔约贤的《金属断口分析》，国外关于断口分析技术的书籍有英国Derek Hull的《Fractography Observing,Measuring and Interpreting Fracture Surface Topograhy》。但就纵横型核伤轨的取样方法及断口分析方法没有相关文献。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纵横型核伤轨的取样及断口分析方法，便于寻找核伤处的非金属夹杂物和进行断口分析。

本发明的技术方案如下：

一种纵横型核伤轨的取样及断口分析方法，包括：探测所述纵横型核伤轨的轨头内部横向疲劳裂纹的位置；将所述横向疲劳裂纹压开，露出核伤横向疲劳断口，观察所述横向疲劳断口的宏观形貌并确定其核伤类型；切取从横向疲劳断口面沿纵向面的核伤轨，得到初步试样；将所述初步试样的纵向疲劳裂纹揭开，得到二偶合纵向疲劳断口试样，观察纵向疲劳断口的疲劳源的位置和尺寸；清洗所述二偶合纵向疲劳断口试样，用扫描电子显微镜观察所述纵向疲劳断口的疲劳源的微观形貌；用微区能谱仪得到所述纵向疲劳断口的疲劳源的化学成份，确定夹杂物类型及来源。

进一步：所述探测所述纵横型核伤轨的轨头内部横向疲劳裂纹的位置的方法为超声波探伤方法。

进一步：所述切取从横向疲劳断口面沿纵向面的核伤轨的方法为机加工方法。

进一步：所述将所述横向疲劳裂纹压开的方法为线切割方法。

进一步：所述观察所述横向疲劳断口的宏观形貌包括观察所述横向疲劳断口的疲劳源和与疲劳弧线相垂直的放射状条纹分散方向。

进一步：所述切取的初步试样从横向疲劳断口面沿纵向面的长度为15～30mm。