包钢
U75V 钢轨疲劳及断裂性能分析
Ξ
田 勇，张 锦，张建军
(包钢(集团)公司技术中心，内蒙古 包头 014010)
摘 要：通过对新引进MT S810.23系统的熟练使用，对包钢产U75V 钢轨的疲劳性能，包括疲劳裂纹扩展速率、轴向疲劳性能及断裂韧性等性能进行了系统的检验分析，试验结果表明：包钢U 75V 钢轨疲劳、断裂性能满足铁道部标准要求。
关键词:U75V ；疲劳性能；轴向疲劳；裂纹扩展速率；断裂韧性；标准
中图分类号:TG 11515+7 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2006)S0-0074-03
A nalysis on the F atigue &Fracture Properties o f U 75V R ail o f
B ao tou Steel Corp.
TIA N Y ong ,ZH ANG Jin ,ZH ANG J ian -jun
(T echnical C enter of Baotou Steel (G roup )Corp.,Baotou 014010,Nei Monggol ,China )
A bstr act :T h e paper introduces the fatigue pro perties o f U75V rails m ade in Baotou S teel C orp.,includ ing fatig ue crack g row th
rate ,ax ial fatigue property and fracture toug hness measured by the MT S810.23sy stem imp orted recently.T he resu lts sh o w that th e fatig ue and fracture properties of U 75V rails o f Baotou Steel Corp.accord w ith th e dem ands o f the s tandard of the Ministry o f R ailw ay s.
K ey w or ds :U75V ;fatigue property ;axial fatigu e ;crack grow th rate ;fracture toughness ;standard
钢轨是重要的轨道部件，铁道部标准中对钢轨产品的检验项目要求很多，其中TB/T2344—2003标
准中规定的主要力学性能检测项目有拉伸、踏面硬度、落锤、疲劳性能、断裂韧性等性能[1]，时速200km 客运专线60kg/m 钢轨暂行技术条件[2]及时速300km 高速铁路60kg/m 钢轨暂行技术条件等标准
中还对疲劳裂纹扩展速率性能有检验规定[3]。
随着铁路日益向高速重载方向发展，对重轨产品的各项检验项目的要求也日益增高，以前疲劳、断
裂检验项目我们只能开展常温断裂韧性检验，而随着力学室新引进国际先进的MTS810.23系统，使得以上各项疲劳、断裂检验项目都能达到国际先进水平。通过试验，我们对60kg/m U75V 钢轨疲劳、断
裂性能进行了系统的检验分析。
1 试验样选择
选择包钢生产的三个炉号的60kg/m U75V 钢轨，其化学成分与力学性能、金相组织均满足标准要求。依据检验标准及取样标准G B/T2975—1998[4]
在每个炉号的钢轨上分别取裂纹扩展速率试验样、断裂韧性试验样、轴向疲劳试验样各6个。
2 疲劳、断裂性能试验
2.1 疲劳裂纹扩展速率试验
(1)依据标准:G B/T6398—2000[5];
(2)设备：采用MTS810.23疲劳试验机系统;
第32卷增刊2006年11月包 钢 科 技
Science &T echnology of Baotou S teel (G rou p)Corporation V ol.32,Supplement
N ov ember ,2006
Ξ收稿日期666
作者简介田 勇()，男，山西省沁县人，工程师，现从事力学性能研究与检测工作。
:200-0-2:1971-
(3)试样：选择三点弯曲试样SE(B)，试样规格45mm×20mm×200mm;
(4)预制疲劳裂纹参数K max=20MPa m1/2，应力比R=0.1，频率f=40H z;
(5)试验程序：依据标准G B/T6398—2000[5]中恒力P控制的K梯度法：在试验过程中K梯度C值保持为常数-0.1(1/mm)。试验参数：频率f=40H z，应力比R= 0.5,ΔK1=29MPa m1/2;ΔK2=14.5MPa m1/2。
试验结果见表1。韧性断裂
表1 包钢U75V钢轨疲劳裂纹扩展速率d a/d N m/G C 试样号ΔK/(MPa m1/2)123456平均值标准值
1 1010
1315
11.5
18.5
10.5
16.5
8.5
18.5
11.5
29.5
11.5
21.5
9.0
24.5
10.4
21.5
≤1710
≤5510
2 1010
1315
7.9
17.6
9.4
19.2
10.9
26.2
11.8
25.6
8.5
15.5
9.9
21.9
≤1710
≤55.0
3 1010
1315
9.0
28.1
5.9
14.3
5.8
8.2
6.3
21.4
7.6
2415
8.2
23.5
7.1
20.0
≤17
≤5510
从表1可以看出,3个样号的18个试样的疲劳裂纹扩展速率d a/d N比较稳定而且完全满足标准的要求，即ΔK=10MPa m1/2时,d a/d N≤17m/G C;ΔK=13.5MPa m1/2时,d a/d N≤55m/G C。2.2 断裂韧性试验
(1)依据标准:G B/T4161—1984[6];
(2)设备：采用MTS810.23疲劳试验机系统;
(3)试样：选择3点弯曲试样SE(B)，试样规格40mm×25mm×180mm;
(4)疲劳裂纹预制参数K max=20MPa m1/2，应力比R=0.1，频率f=40H z;
(5)试验参数：试验温度为-20℃，力控制速率350N/s。
试验结果见表2。
表2 包钢U75V钢轨断裂韧性KΙc MPa m1/2
试样号123456平均值标准值135.633.936.230.633.734.0KΙc最小值26
2 3
37.2
34.3
37.4
32.9
366
33.8
358
32.1
35.9
33.9
38.3
36.6
34.3
KΙc平均值29由表2看出，不考虑两个人为因素造成的断裂
样,3个样号的其余16个试样的断裂韧性值均超过了标准规定的KΙc平均值29MPa m1/2。
2.3 轴向疲劳试验[7]
()依据标准G B T358[];
()设备采用MTS83疲劳试验机系统;
(3)试样采用Φ标准样;
(4)试验参数：循环系数r=-1，频率f= 40H z，力控制为正弦波形，力幅度11kN，总应变幅为1350με;
(5)试验结果：所有试验样在经5×106次循环后，均未发生断裂。
3 分析与讨论
由于使用了具有当今世界先进水平的MTS810.23万能材料系统，对包钢生产的U75V钢轨可进行系统的检验分析，尤其是疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性性能测试中，由于使用了高速数据采集和处理系统，根据检测到的试样的有效弹性模量，用柔度法可准确计算出疲劳裂纹长度，从而得出的试验结果精度很高，可以反映试样的真实性能。
断裂韧性是断裂力学认为能反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的指标，其中KΙc是裂纹扩展型中的张开型扩展，外加应力垂直于裂纹扩展面，即为正应力时，在该应力作用下，裂纹尖端张开，并在与外力垂直的方向上扩展，在工程构件中，张开型扩展是最危险的，容易引起低应力脆断。材料对这种裂纹扩展的抗
力最低。影响断裂韧性KΙc的因素很多，如材料组织、夹杂物类型及形态、试样尺寸、加载速度、温度等。
疲劳裂纹扩展速率d a/d N是单位循环次数下疲劳裂纹的增长量，是由循环应力最大载荷和最小载荷与裂纹长度a构成的应力场强度因子差值ΔK1控制的，影响断裂韧性KΙ的因素如材料组织、夹杂物类型及形态、试样尺寸、加载速度、温度等都对疲劳裂纹扩展速率N有影响。
5
7
增刊 包钢U75V钢轨疲劳及断裂性能分析
1:/07-1927 2:10.2
:7mm
c d a/d
据资料介绍[8]，疲劳极限与静强度之间大致存在着直线关系，即对于钢σ-1=0.35σb+12.2，对于U75V，
相对于标准要求的1350με应变幅，其应力幅在280MPa左右，与疲劳极限σ-1还有一定距离，因此对于无明显缺陷的试样应该通过试验。
研究表明，能同时提高材料强度和塑性的因素，都能提高材料的断裂韧性，而细化晶粒是使材料强度和韧性同时提高的有效手段。包钢生产的60kg/m U75V钢轨，应严格控制钢中气体含量、夹杂物含量及形态，在细化晶粒上多做工作，以使材料强度和韧性同时提高，从而提高材料的断裂韧性和疲劳性能，降低疲劳裂纹扩展速率。
4 结束语
从以上3项试验的结果看出，包钢生产的60kg/m U75V钢轨，疲劳裂纹扩展速率、轴向疲劳、断裂韧性KΙC等疲劳、断裂性能完全满足铁道部标准要求。随着铁路日益向高速、重载方向发展以及与国际先进水平的进一步接轨，对钢轨产品的各项检验会更加严格，以后应当对其疲劳裂纹扩展门槛值及轴向疲劳的疲劳极限值进行进一步的研究，以便更好的对钢轨的生产提出参考。
参 考 文 献
[1] T B/T2344—2003,43kg/m～75kg/m热轧钢轨
订货技术条件[S].
[2] 时速200公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术
条件[S].
[3] 时速300公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术
条件[S].
[4] G B/T2975—1998，钢及钢产品力学性能试验取
样位置及试样制备[S].
[5] G B/T6398—2000，金属材料疲劳裂纹扩展速
率试验方法[S].
[6] G B/T4161—1984，金属材料平面应变断裂试
验方法[S].
[7] G B/T3075—1982，金属轴向疲劳试验方法
[S].
[8] 孙茂才.金属力学性能[M].哈尔滨：哈尔滨工
业大学出版社,2005.
(上接第47页)
由表5可看出，显微组织均为片层状珠光体，钢轨各部位晶粒度在6～7级。钢轨的片层间距也说明钢轨亚结构的分布，钢轨各部位的组织较均匀，片层间距均在0122μm左右。
表5 UIC60钢轨显微组织及片间距取样部位组织晶粒度/级片层间距/μm
轨头角部珠光体6100.22
轨头中心珠光体6100.22
轨腰中心珠光体7100.23
轨底中心珠光体610～6.50.21
2.6 轨底残余应力
钢材中的残余应力对钢材的使用性能尤其是疲劳性能有较大影响。残余应力形成主要有3个途径：钢材在热轧或焊接后其断面的不均匀冷却、钢材组织发生相变、钢材受到矫直等冷加工。为此各国的钢轨标准对钢轨残余应力都有明确规定,N欧洲标准中规定对所有钢号的钢轨来说，在轨底测得的纵向残余应力不大于5N。
通过对包钢5支钢轨轨底进行残余应力测试，最小拉应力210MPa，最大拉应力240MPa，平均拉应力为224MPa，小于250MPa，满足标准要求。2.7 落锤试验
据用户供货技术协议，每炉取一个试样进行落锤试验，所做试验没有一支断裂，落锤挠度在29～35m m 范围之内，平均为31.6mm，满足了合同的要求。
3 结束语
包钢此次供台湾UI C60钢轨，其化学成分、几何尺寸、力学性能及落锤检验均满足国际铁路联盟标准(UIC860)[1]及相关合同要求，通过台湾委托独立公证公司SG S抽检，结果合格。
生产的UIC60钢轨在台湾北部地区试铺，性能稳定，易于焊接，使用效果较好。
参 考 文 献
[1] UI C860，钢轨供货技术条件[S]1
[] N36—,6及以上平底对称断面铁路用钢轨(8年)[S]1
67包钢科技 第32卷
E :
20/mm22prE17414kg/m
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