任务1　钢轨和钢轨伤损认知

1.1.1　工作任务

参观铁路线路，通过测量钢轨断面，了解各种轨型钢轨的尺寸并能绘制钢轨断面图。通过观察伤轨实物和图片，了解钢轨伤损的类型及产生的原因。

1.1.2　相关配套知识

1.钢轨

1）钢轨的作用和要求

钢轨是轨道结构的重要部件，直接承受机车、车辆荷载的作用，它的强度和状态，直接关系到铁路运输的安全、平稳和畅通。

（1）钢轨的作用

支持并引导机车车辆按规定的方向运行，将来自车轮的荷载和冲击传布于轨枕和扣件之上；在自动闭塞区段，钢轨又成为轨道电路中的一部分，起到信号电流的传输作用；在电气化区段，钢轨还作为电力机车牵引电流的回流导线作用。

（2）钢轨的要求

钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，又为机车提供最大的黏着牵引力，因而要求钢轨顶面具有相应的摩擦系数，能产生一定的摩擦力；钢轨受到车轮辗压会产生弯曲，为抵抗弯曲，钢轨应具有相当的强度。但因钢轨是承受冲击的受力体，为了减轻车轮对钢轨的冲击作用，减少机车、车辆走行部分及钢轨的裂损，钢轨又必须具有一定的可挠性；为使钢轨不至于被巨大压力压溃或迅速磨耗，钢轨应具有足够的硬度。但硬度太高时，钢轨又容易被车轮的动力冲击所折断，因此，钢轨又应具有一定的断裂韧性。此外，钢轨还应具有较强的抗剥离性和抗疲劳性，一定的耐腐蚀性，良好的可焊性等。

2）钢轨的分类和断面尺寸

（1）钢轨的分类

目前我国定型生产的钢轨分类如下：

①按钢种分：碳素轨和合金轨。碳素轨主要以碳（C）、锰（Mn）两元素来提高强度，改善韧性，如U71Mn、AP1、U74。合金轨是以碳素轨为基础，添加适量合金元素钒（V）、钛（Ti）、铬（Cr）、钼（Mo）等，来提高钢轨的强度和韧性，如PD1、PD3、V—Ti轨。

②按钢轨的重量分：38kg/m（P38）、43kg/m（P43）、45kg/m（P45）、50kg/m（P50）、60kg/m（P60）和75kg/m（P75）。

③按力学性能分：普通轨、高强轨、耐磨轨。普通轨是指抗拉强度不小于800MPa的钢轨；高强轨是指抗拉强度不小于900MPa的钢轨；耐磨轨是指抗拉强度不小于1100MPa的钢轨。

（2）钢轨的断面尺寸及断面图

钢轨断面为左右对称的工字形，如图1.3所示，从上往下分为轨头、轨腰和轨底三部分。50kg/m、60kg/m、AT钢轨断面图分别如图1.4、图1.5、图1.6所示。不同型号的钢轨，其截面尺寸和螺孔位置各不相同，表1.1列出了各种轨型钢轨外形几何尺寸表。

3）钢轨的标志及说明

钢轨出厂时应有制造厂标、钢轨类型、钢种符号、钢轨制造年月、熔炼号、品级号等标志，了解和掌握钢轨标志的内涵，可为今后有针对性地进行钢轨探伤、判断伤损形成原因和发展方向提供依据。

（1）国内外钢轨生产厂家名称代号及炉罐号说明

钢轨标志一般均轧制于钢轨一侧轨腰上，有两种类型，一种是辊轧凸字，字体凸出于轨腰表面；另一种为热轧凹字，字体凹陷在轨腰表面以下。

①国产钢轨生产厂家名称、代号（辊轧凸字）见表1.2。

②国产钢轨炉罐号说明（热轧凹字）见表1.3。

③进口钢轨生产厂家名称代号（辊轧凸字）见表1.4。

④进口钢轨炉罐号说明（热轧凹字）见表1.5。

（2）炼钢炉、炼钢工艺、钢种及热处理标志说明

①炼钢炉种类及炼钢工艺代号说明（辊轧凸字）见表1.6。

②钢种、炉种代号及生产时间说明（辊轧凸字）见表1.7。

③热处理（淬火）工艺代号说明（辊轧凸字或热轧凹字）见表1.8。

④国内各厂淬火轨标记见表1.9。

4）钢轨生产过程

钢轨制造应采用平炉、氧气转炉冶炼的镇静钢制造，为保证钢轨没有缩孔和有害的偏析，钢锭头、尾的钢坯应进行充分切除，并应采用使钢轨中不产生白点的生产工艺。目前，世界上主要采用长流程和短流程两种生产钢轨的工艺。

（1）钢轨长流程工艺

以矿石为原料，经高炉、转炉冶炼，再经炉外精炼、真空脱气、连铸机铸成一定尺寸的钢坯等14道工序（表1.10）来完成钢轨的制造。

续上表

（2）钢轨短流程工艺

以废钢为主要原料，经电炉粗炼，LF炉精炼，VD炉脱气后送连铸机铸成所需尺寸的钢坯，其后部工艺与长流程工艺第5～14道工序相同。

随着连铸技术的进步，自动化检测和控制技术的结合，钢轨生产工艺采用连铸异形坯，直接送万能轧机轧制，使钢轨制造工艺流程会更短，生产效率和钢轨质量会更高。

5）钢轨的化学成分和机械性能

（1）钢轨的化学成分

钢轨的组织与性能主要取决于它的化学成分。合适的化学成分是保证钢轨质量，提高钢轨的机械性能的主要因素之一，而钢材冶金过程中难以除去的有害元素又对钢材性能产生不良的影响，表1.11是钢轨中除铁以外的主要化学元素和作用。

为了进一步改善钢轨的机械性能，冶金部门开发了微合金轨，即在碳素钢中加入铬（Cr）可提高钢的强度、硬度、耐磨性、淬透性和耐磨蚀性；加入钒（V）可提高钢的强度、耐磨性和淬透性，改善钢的塑性和韧性；加入钛（Ti）可细化钢的晶粒，提高强度，改善韧性；加入稀土可细化有害的非金属杂质的粒径，改善钢的耐磨性和韧性。

（2）钢轨的机械性能

①强度

钢轨在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。常以强度极限、屈服极限等指标来表示。强度极限（抗拉强度）是指金属材料抵抗拉伸载荷作用而不至破坏的最大应力，用σb表示；屈服极限（屈服强度）是指金属材料在载荷不增加的情况下，仍能产生明显塑性变形时的应力，用σs表示，单位为MPa。

②塑性

金属材料在载荷作用下产生显著的变形而不致破坏，并在载荷取消后，仍能保持变形后的形状，常以伸长率和断面收缩率等指标来表示。伸长率是试样拉断后，标定长度的伸长量与原始标定长度之比的百分点，用δ表示；断面收缩率是试样断口面积的缩减量与原截面面积之比的百分数，用ψ表示。

③金属材料抵抗另一种更硬物体（材料）压入其表面的能力。根据测定方法的不同，可分为布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）等。

实践证明，硬度和强度之间有一定对应关系，可以根据布氏硬度值近似地换算出该材料的抗拉强度值，如：低碳钢σb≈0.36HB，高碳钢σb≈0.34HB。

④韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不致破坏的能力。金属材料韧性的好坏，可通过冲击试验测定，用冲击韧性值αk表示，单位kJ/m2。

⑤疲劳

在交变载荷的作用下，材料发生断裂的现象。金属材料抵抗疲劳的能力，用疲劳强度来衡量。疲劳强度就是金属材料在无数次重复的交变载荷作用下，而不致破坏的最大应力，用σ-1表示。碳素钢的疲劳强度与抗拉强度之间的近似关系：

σ-1=（0.4～0.55）σb

2.钢轨伤损

钢轨缺陷包括制造中遗留的缺陷（白点、气泡、缩孔、偏析、非金属夹杂等）和使用过程发生的缺陷两类，后者称为钢轨伤损。

1）钢轨伤损定义

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中发生的折断、裂纹及其他影响和限制钢轨使用性能的各种状态。

（1）钢轨折断是指发生下列情况之一者：

①钢轨全截面至少断成两部分；

②裂纹已经贯通整个轨头截面；

③裂纹已经贯通整个轨底截面；

④允许速度小于160km/h区段，钢轨顶面上有长度大于50mm且深度大于10mm的掉块；允许速度大于160km/h区段，钢轨顶面上有长度大于30mm且深度大于5mm的掉块。

断裂分两种形式：钢轨折断后在断口上能观察到较明显的疲劳断口时称为疲劳断裂；钢轨折断后在断口上没有明显的疲劳断口时称为脆性断裂。

（2）钢轨裂纹是指钢轨表面或内部的部分金属发生分离。

（3）钢轨其他伤损是指除裂纹、折断以外，影响钢轨使用性能的磨耗、压溃、压陷（或凹陷）、波浪磨耗、弯曲变形、表面缺陷、外伤腐蚀等伤损。

2）钢轨伤损标准

钢轨伤损程度按伤损轻重，分为不到轻伤、轻伤、重伤和折断四类。

（1）钢轨轻伤标准

①普速铁路钢轨头部磨耗超过表1.12、高速铁路钢轨头部磨耗超过表1.13所列限度之一者。

②普速铁路钢轨伤损达到表1.14、高速铁路钢轨伤损达到表1.15所列限度之一者。

（2）钢轨重伤标准

①普速铁路钢轨头部磨耗超过表1.16、高速铁路钢轨头部磨耗超过表1.17所列限度之一者。

②普速铁路钢轨伤损达到表1.18、高速铁路钢轨伤损达到表1.19所列限度之一者。

续上表

3）钢轨伤损标记

根据《铁路线路维修规则》规定，钢轨伤损标记见表1.20。

4）钢轨伤损分类

为了规范钢轨伤损分类，原铁道部1986年发布TB/T 1778标准《钢轨伤损分类》，该标准将钢轨伤损采用两位数字编号进行分类，十位数表示伤损在钢轨断面上的位置和伤损状态，个位数表示造成伤损的原因。随着钢轨伤损分类要求的提高，2010年重新发布TB/T 1778标准，新标准规定了铁路钢轨各种伤损的分类、编号、伤损描述、伤损原因、检测方法及采取措施，它适用于统计钢轨伤损情况，分析钢轨伤损原因及钢轨伤损信息处理。以下简要介绍TB/T 1778—2010标准。

（1）钢轨伤损分类编号规则

钢轨伤损分类编号采用五位数字表示。

第一位有0～7和9共9个数，分别表示伤损在钢轨长度上的起始位置（注：凡属于与接头状态、接头质量及焊接质量等有关的伤损，在伤损编号中按在夹板接头和焊接接头区域形成的伤损进行分类和登记；凡属于与轨身相同原因形成的伤损，在伤损编号中，按轨身处形成的伤损进行分类和登记）。

第二位有0～6共7个数，分别表示伤损在钢轨横截面上的起始位置。

第三位有0～9共10个数，分别表示不同的伤损状态。

第四位表示对伤损状态的细化，细化顺序以1、2、3、4…编号，没有细化的编号为0。

第五位有1～4共4个数字，分别表示不同的伤损程度。

（2）钢轨伤损分类编号结构

钢轨伤损分类编号结构见表1.21。

（3）钢轨伤损分类编号对比

TB/T 1778—2010钢轨伤损编号与TB/T 1778—1986钢轨伤损编号、TB/T 2172—1990钢轨伤损代码对照表（表1.22）。

续上表

5）钢轨伤损产生原因及分布情况

钢轨伤损从超声波钢轨探伤专业上可分为五大类，有钢轨核伤、钢轨接头部位伤损、钢轨纵向水平和垂直裂纹、钢轨轨底裂纹、钢轨焊缝缺陷（钢轨焊缝缺陷在项目4中介绍），典型伤损图片见附录1。

（1）钢轨核伤

钢轨核伤从超声波探伤专业上称为轨头横向裂纹。钢轨核伤产生原因是由于钢轨冶炼和轧制过程中材质不良或使用过程中的缺陷，在列车重复荷载作用下形成应力集中，疲劳源不断扩展，逐渐发展而形成。核伤主要产生的部位在钢轨头部内侧，随着核伤直径增大，钢轨承载能力急剧下降，在高速重载的使用环境下极易发生钢轨折断，因此，它是钢轨伤损中危害最大者之一。

①材质缺陷形成的核伤

钢轨在制造过程中，由于冶金缺陷和钢锭切除不够，钢锭内部存在白点、气泡、非金属夹杂物、偏析和缩孔残余等缺陷，经辊轧后成片状存在于轨头中，在列车载荷的重复作用下，这些缺陷生产的疲劳源逐步扩展，形成有危害的核伤。这类核伤断面具有平坦光亮的表面，通常为白核，当白核发展到轨面与空气接触氧化后成黑核。如果疲劳源系白点引起，则同一炉罐号的钢轨都可能有白点存在。有多处白点的钢轨在使用过程中极易形成多处横向疲劳裂纹，致使钢轨突然折断为几段甚至几十段，每段钢轨断口横向裂纹的形貌基本一致，只是裂纹面积大小不同，对行车安全危害极大。图1.7及图1.8分别为白点和缩孔缺陷形成的核伤形貌。

②接触疲劳形成的核伤

大运量重载区段，由于车轮与钢轨间接触应力过大，在列车荷载多次作用下，先产生轨头顶面剥离或其他表面伤损，然后发展成核伤。一般核源位于轨头内侧上角距顶面和侧面5～15mm的范围内，如图1.9及图1.10所示。

③侧磨严重形成的核伤

目前部分客车与货车运行速度相差较大，曲线地段超高设置无法满足各种车速的要求，因此，造成钢轨偏载现象，使钢轨承载量上升。曲线上股钢轨侧磨严重，轮缘对轨颚的挤压，以及水平推力与挠曲应力的复合作用，使下颚尖端产生微裂纹，成为疲劳源，在列车往复作用下，裂纹扩展形成核伤，如图1.11所示。

④鱼鳞破损形成的核伤

车流密度高，行车速度快的重载区段，由于列车在复线中单向运行，小半径曲线上股轨头内侧表面经常发生鱼鳞状破损，如图1.12所示。它不同于一般的轨头金属碎裂和剥离，常以裂纹尖端为疲劳源，逐步形成核伤，其特点是发展快，且呈多面核。疲劳周期从1.7×108t至5.6×108t不等，一般为3×108t左右。

⑤擦伤（焊补）形成的核伤

机车起动或爬坡时车轮空转，以及机车制动滑行时车轮与钢轨间剧烈摩擦产生高温，使轨顶面金属组织变硬、变脆，在列车荷载作用下形成网状裂纹，并向下发展成为核伤。当焊补轨面擦伤和掉块时，因焊面未打磨干净，留有微裂纹或焊补工艺不良产生缺陷，这些缺陷在机车荷载作用下，极有可能在焊补层下形成核伤，如图1.13所示。

除上述原因外，轨腰纵向裂纹向轨头延伸、钢轨淬火工艺不良导致轨头碎裂和钢轨制造时产生的重皮等缺陷，在机车荷载作用下，裂纹端部都是疲劳源很容易形成核伤。钢轨核伤的产生和发展不仅与材质有关，而且与钢轨所处的使用环境有关，凡受冲击力大，轨面状态不良地段的钢轨，如曲线上股、大坡道地段、钢轨小腰和道岔基本轨等，最容易产生疲劳核伤，这些地段在钢轨探伤中应引起重视。

（2）钢轨接头伤损

钢轨接头是线路的薄弱环节，车轮作用在钢轨接头上的最大惯性力要比其他部位大60％左右。钢轨接头的主要伤损是螺孔裂纹，其次是下颚裂纹和马鞍形磨耗等。

①螺孔裂纹产生原因

螺孔裂纹产生的主要原因是钻孔不当、接头冲击过大、线路养护不良等。

a.钻孔不当。钢轨轨腰在钻螺栓孔后，强度被削弱，螺孔周边产生较高的局部应力；其次螺孔钻制不良，螺孔周边有毛边缺口或钢轨锈蚀，螺孔周边有锈蚀缺口；以及螺孔钻制位置不对，有高度误差，这些缺陷都会使螺孔周边产生应力集中，进而形成螺孔裂纹。

b.接头冲击力过大。在有缝线路中，机车车轮跃过钢轨轨缝时，对迎端轨产生较大的冲击力，从钢轨接头受力状态中，如图1.14可看出P1、P2大于静态力P3，因此，接头区钢轨本已因钻螺孔强度被削弱，又承受更大的冲击荷载力，致使裂纹发生率上升。

c.线路养护不良。由于钢轨接头养护工作不到位，造成道床板结、低接头、轨枕空吊、高低错牙，接头螺栓扭力不够或线路爬行，产生大轨缝等，这些不良的接头状态都会增加机车对接头的冲击力，从表1.23各种条件下螺孔拉应力增量中，充分说明养护不良使螺孔承载力加大，螺孔裂纹产生率升高。

图1.14表示接头应力分布情况，第一螺孔的荷载力处于最高值区域，裂纹的生产与受力成正比关系，因此，第一螺孔的裂纹比其他螺孔产生裂纹的比例更高。从统计资料上显示，第一螺孔裂纹占螺孔裂纹的78％，尤其是岔后引轨、复线区段迎着列车运行方向轨端第一螺孔裂纹的发生频率更高，而且在第一螺孔上不同象限螺孔裂纹的发生率相差很大，Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂纹发生率最高，如图1.15所示，占总数的60.1％，这些是钢轨探伤中应重视之处。

②轨头下颚裂纹的形成

接头钢轨下颚裂纹的形成，主要是长期受到过大的偏载、水平推力以及轨头挠曲应力的复合作用；其次是钢轨接头采用斜坡支承夹板，使轨颚承受向上拉力，如图1.16（a）所示；再加上养护作业不良，以及机车车辆的蛇形运动产生的横向作用力等多方面因素同时作用的结果。由于外侧应力大于内侧，因此，下颚裂纹往往具有从外向内逐步扩展的特点，如图1.16（b）所示。

③马鞍形磨耗的特征

钢轨轨端接头淬火工艺不良，淬火区与非淬火区之间硬度过渡不均匀，在列车荷载多次作用下，该部分产生压陷，形成钢轨接头区两侧凸、中间凹下的马鞍形，如图1.17所示。

（3）钢轨纵向水平和垂直裂纹

由于钢轨制造工艺不良，没有切除钢锭中带有严重偏析、缩孔、夹杂等缺陷，在钢锭轧制成钢轨后，缺陷成片状残留在轨头、轨腰、轨底中，与钢轨纵向平行，呈水平或垂直状态出现，如图1.18所示。纵向垂直的裂纹经机车长时荷载作用后，会向外膨起成为膨泡裂纹。无缝线路区段，曲线地段钢轨长期受到过大的偏载，在钢轨颚部或轨腰上会产生水平裂纹，如图1.19所示。

（4）钢轨轨底裂纹

轨底裂纹的形成原因有以下种：

①轨腰垂直纵向裂纹向下发展成轨底裂纹，如图1.20（a）所示。

②轨底锈坑或划痕发展形成的轨底横向裂纹，如图1.20（b）。

③在制造钢轨时，轨底存在轧制缺陷或因轨底与垫板轨枕间不密贴，使用中轨底局部产生过大的应力，造成轨底横向裂纹或破裂。

④焊接工艺不良，产生过烧、未焊透、气泡、夹杂，以及光斑或灰斑等内部缺陷，造成轨底横向裂纹，如图1.20（c）。