專(zhuān)利名稱(chēng)：一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬失效分析領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法
背景技術(shù)：
列車(chē)通過(guò)鋼軌時(shí)，由于輪軌接觸的作用，在軌頭踏面以下分布著接觸剪應(yīng)力。剪應(yīng)力的分布和大小與列車(chē)通過(guò)的速度、列車(chē)的軸重以及輪軌接觸的位置和接觸面積大小均有關(guān)系。理論研究表明，在踏面下一定深度范圍內(nèi)(5 12mm)的輪軌接觸剪應(yīng)力較大，當(dāng)在上述區(qū)域范圍內(nèi)，鋼軌存在有沿鋼軌軋制方向分布的非金屬夾雜物時(shí)，在列車(chē)通過(guò)時(shí)的輪軌接觸應(yīng)力和動(dòng)彎應(yīng)力作用下，疲勞裂紋容易在夾雜物處萌生，并沿鋼軌縱向擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定時(shí)期以后，在輪軌動(dòng)彎應(yīng)力的作用下轉(zhuǎn)而向鋼軌軌頭踏面和軌腰方向橫向擴(kuò)展，最終形成縱橫裂型核傷。疲勞斷裂理論認(rèn)為，在一定應(yīng)力作用下，金屬疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展是有條件的，當(dāng)缺陷的尺寸滿(mǎn)足裂紋萌生臨界尺寸時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋的萌生與擴(kuò)展。從這點(diǎn)來(lái)講，在鋼軌踏面下最大剪應(yīng)力區(qū)存在有滿(mǎn)足裂紋萌生條件的夾雜物缺陷，是產(chǎn)生鋼軌縱橫裂型核傷的主要原因。輪軌接觸剪應(yīng)力的大小主要是與線路曲線半徑有關(guān)，所以縱橫裂型核傷主要是出現(xiàn)在小半徑曲線上股鋼軌處。當(dāng)接觸剪應(yīng)力較大時(shí)，疲勞裂紋容易在夾雜物處產(chǎn)生并擴(kuò)展。因此，可以說(shuō)鋼軌的受力狀態(tài)是鋼軌產(chǎn)生縱橫裂核傷的外部因素?？v橫裂核傷的傷損特點(diǎn)是先在軌頭內(nèi)部形成縱向疲勞裂紋，然后形成橫向疲勞裂紋。在核傷初期的縱向疲勞裂紋斷口處、可以觀察到呈條狀形貌特征的條狀裂紋源和起源于條狀裂紋源的疲勞弧線等形貌；在核傷后期或尺寸較大的縱向疲勞斷口上通常觀察不到疲勞弧線形貌和條狀裂紋源、此時(shí)疲勞源區(qū)斷口主要為輾壓變形形貌。條狀裂紋源一般是位于踏面下5 12mm深的部位且平行于踏面。橫向疲勞裂紋是起源于縱向疲勞裂紋處并向軌底和軌頭表面方向疲勞擴(kuò)展；通常當(dāng)橫向疲勞裂紋擴(kuò)展到軌頭表面和軌頭下顎后，將可能導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂。當(dāng)縱向疲勞裂紋或橫向疲勞裂紋擴(kuò)展到軌頭表面后，疲勞裂紋開(kāi)始受氧化腐蝕作用而使疲勞斷口呈暗褐色現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)之為“黑核”。當(dāng)疲勞裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到軌頭表面或剛擴(kuò)展到軌頭表面時(shí)，此時(shí)的疲勞裂紋沒(méi)有受氧化腐蝕作用、其斷口呈金屬光澤現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)之為“白核”。失效分析是一門(mén)系統(tǒng)工程，其中的分析技術(shù)是其理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。失效分析技術(shù)主要包括痕跡分析技術(shù)、裂紋分析技術(shù)和斷口分析技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。斷口是斷裂失效中兩斷裂分離面的簡(jiǎn)稱(chēng)。由于斷口真實(shí)地記錄了裂紋由萌生、擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂全過(guò)程的各種與斷裂有關(guān)的信息。因此，斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學(xué)、斷裂化學(xué)和斷裂物理等諸多內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，對(duì)斷口進(jìn)行定性和定量分析，可為斷裂失效模式的確定提供有力依據(jù)，為斷裂失效原因的診斷提供線索。由于重軌核傷的形成原因復(fù)雜，因此尋找核傷處的非金屬夾雜物成為困擾失效分析技術(shù)人員的難點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)材料學(xué)與工程學(xué)院的傅國(guó)如在失效分析技 術(shù)中所作工作很多，另外關(guān)于斷口分析技術(shù)的書(shū)籍國(guó)內(nèi)有崔約賢的《金屬斷口分析》，國(guó)外關(guān)于斷口分析技術(shù)的書(shū)籍有英國(guó)Derek Hull的《FractographyObserving, Measuring and Interpreting Fracture Surface Topograhy〉〉。但就縱橫型核傷軌的取樣方法及斷口分析方法沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，便于尋找核傷處的非金屬夾雜物和進(jìn)行斷口分析。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，包括:探測(cè)所述縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置；將所述橫向疲勞裂紋壓開(kāi)，露出核傷橫向疲勞斷口，觀察所述橫向疲勞斷口的宏觀形貌并確定其核傷類(lèi)型；切取從橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌，得到初步試樣；將所述初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)，得到二偶合縱向疲勞斷口試樣，觀察縱向疲勞斷口的疲勞源的位置和尺寸；清洗所述二偶合縱向疲勞斷口試樣，用掃描電子顯微鏡觀察所述縱向疲勞斷口的疲勞源的微觀形貌；用微區(qū)能譜儀得到所述縱向疲勞斷口的疲勞源的化學(xué)成份，確定夾雜物類(lèi)型及來(lái)源。進(jìn)一步:所述探測(cè)所述縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置的方法為超聲波探傷方法。進(jìn)一步:所述切取從橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌的方法為機(jī)加工方法。進(jìn)一步:所述將所述橫向疲勞裂紋壓開(kāi)的方法為線切割方法。進(jìn)一步:所述觀察所述橫向疲勞斷口的宏觀形貌包括觀察所述橫向疲勞斷口的疲勞源和與疲勞弧線相垂直的放射狀條紋分散方向。
·
進(jìn)一步:所述切取的初步試樣從橫向疲勞斷口面沿縱向面的長(zhǎng)度為15 30mm。進(jìn)一步:所述將所述初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)的方法為線切割方法。進(jìn)一步:所述清洗所述二偶合縱向疲勞斷口試樣的方法為采用放有丙酮溶液的超
聲波清洗。進(jìn)一步，所述用掃描電子顯微鏡觀察所述裂紋源的微觀形貌包括:在掃描電子顯微鏡下先對(duì)所述縱向疲勞斷口做低倍觀察，得到所述縱向疲勞斷口的整體形貌和特征，確定觀察部位；找到所述裂紋源，并分析裂紋源區(qū)，包括所述源區(qū)的位置、形貌和特征；通過(guò)縱向疲勞斷口的全貌照片、縱向條狀疲勞裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的照片來(lái)綜合表述所述縱橫型核傷軌的斷口信息。本發(fā)明的技術(shù)效果如下:1、本發(fā)明提供了縱橫型核傷軌的取樣方法及斷口分析方法。2、本發(fā)明的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法操作簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的核傷軌斷裂的宏觀形貌；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的試樣A的縱向疲勞斷口的宏觀形貌；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的試樣B的縱向疲勞斷口的宏觀形貌；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源處沿鋼軌軋制方向分布的條狀?yuàn)A雜物的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖，其中，(a)為條狀?yuàn)A雜物的SEM圖，(b)為相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖；圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源和縱向疲勞斷口的局部放大形貌的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖，其中，(a)為局部放大形貌的SEM圖，(b)為相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖；圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源和縱向疲勞斷口的局部進(jìn)一步放大形貌的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖，其中，(a)為局部放大形貌的SEM圖，(b)為相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法的步驟如下:步驟S1:探測(cè)縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置。用超聲波探傷方法確定核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置，并記錄該位置。

步驟S2:將軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋壓開(kāi)，露出核傷橫向疲勞斷口，觀察橫向疲勞斷口的宏觀形貌并確定其核傷類(lèi)型。 用機(jī)加工方法將軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋壓開(kāi)露出核傷橫向疲勞斷口，觀察橫向疲勞斷口的疲勞源(即疲勞弧形的最小半徑處)以及疲勞弧線相垂直的放射狀條紋分散方向。如圖1所示，為本發(fā)明的實(shí)施例的核傷軌斷裂的宏觀形貌。本實(shí)施例的疲勞源a，放射狀條紋分散方向?yàn)榕c疲勞弧線相垂直的放射狀條紋分散方向b，核傷類(lèi)型是縱橫型核傷。步驟S3:切取從核傷橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌，得到初步試樣。用鋸切方法切取從核傷橫向疲勞斷口面沿縱向面長(zhǎng)度為15 30mm核傷軌。采用的鋸切方法一般為不會(huì)產(chǎn)生高溫的機(jī)械方法。避免使用火焰切割或砂輪切割等會(huì)產(chǎn)生高溫的切割方法，以避免使需重點(diǎn)分析的部位因高溫而產(chǎn)生二次損傷，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。步驟S4:將初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)，得到二偶合縱向疲勞斷口試樣，觀察縱向疲勞斷口的疲勞源的位置和尺寸。采用線切割的方法將初步試樣的典型的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)，得到二偶合縱向疲勞斷口試樣A和B。如圖2和3所示，分別為本發(fā)明的實(shí)施例的試樣A和試樣B的縱向疲勞斷口的宏觀形貌。從圖中可以觀察到橫向疲勞斷口 1、縱向疲勞斷口 2和鋸切面4。觀察縱向疲勞斷口的疲勞源為縱向條狀疲勞裂紋源3。該縱向條狀疲勞裂紋源3的位置是沿試樣縱向呈條狀分布，尺寸為200um。步驟S5:清洗二偶合縱向疲勞斷口試樣，用掃描電子顯微鏡觀察縱向疲勞斷口的疲勞源的微觀形貌。采用放有丙酮溶液的超聲波清洗二偶合縱向疲勞斷口試樣5-10分鐘。在掃描電子顯微鏡下先對(duì)縱向疲勞斷口做低倍觀察，得到縱向疲勞斷口的整體形貌和特征，確定重點(diǎn)觀察部位為疲勞源處。在整體觀察的基礎(chǔ)上，找到縱向條狀疲勞裂紋源3，并對(duì)該縱向條狀疲勞裂紋源區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)分析，包括源區(qū)的位置、形貌和特征。通過(guò)縱向疲勞斷口的全貌照片、縱向條狀疲勞裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的照片來(lái)綜合表述縱橫型核傷軌的斷口信息。步驟S6:用微區(qū)能譜儀得到疲勞源的化學(xué)成份，確定夾雜物類(lèi)型及來(lái)源。
如圖4所示，為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源處沿鋼軌軋制方向分布的條狀?yuàn)A雜物的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖。SEM的檢驗(yàn)結(jié)果表明，圖中的條狀?yuàn)A雜物的長(zhǎng)度為575um，最寬處達(dá)到85um，該條狀?yuàn)A雜物有可能屬于在鋼中隨機(jī)分布的低倍夾雜。夾雜物的級(jí)別超過(guò)熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件中規(guī)定的B類(lèi)夾雜物(氧化物)和C類(lèi)夾雜物(硅酸鹽)均不應(yīng)超過(guò)2.0級(jí)的規(guī)定。如圖5所示，為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源和縱向疲勞斷口的局部放大形貌的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖。圖中的縱向條狀疲勞裂紋源是呈輾壓變形的臺(tái)階狀形貌，即縱向條狀疲勞裂紋源二側(cè)的疲勞擴(kuò)展區(qū)不是在同一平面。在端部的臺(tái)階已輾壓成同一平面且呈輾壓變形形貌。在縱向條狀疲勞裂紋源的全長(zhǎng)部位都斷續(xù)分布有呈條狀形貌的夾雜物。從圖中可以看出，一部分夾雜物因鋼軌的上下部分的相互碾壓，已經(jīng)碎裂和丟失。如圖6所示，為本發(fā)明的實(shí)施例的縱向條狀疲勞裂紋源和縱向疲勞斷口的局部進(jìn)一步放大形貌的SEM圖和相應(yīng)位置的微區(qū)能譜圖。圖中的縱向條狀疲勞裂紋源輾壓成平面狀而呈輾壓塑性變形形貌。從圖4-圖6的微區(qū)能譜分析位置及其能譜圖可看出，縱向條狀疲勞裂紋源處殘留夾雜物的化學(xué)成份主要有氧、鋁、錳、硅、鈦和少量的鎂、鈣和鐵元素。疲勞擴(kuò)展區(qū)(鋼軌母材)斷口的化學(xué)成份主要為鐵 元素。
權(quán)利要求
1.一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，包括: 探測(cè)所述縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置； 將所述橫向疲勞裂紋壓開(kāi)，露出核傷橫向疲勞斷口，觀察所述橫向疲勞斷口的宏觀形貌并確定其核傷類(lèi)型； 切取從橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌，得到初步試樣； 將所述初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)，得到二偶合縱向疲勞斷口試樣，觀察縱向疲勞斷口的疲勞源的位置和尺寸； 清洗所述二偶合縱向疲勞斷口試樣，用掃描電子顯微鏡觀察所述縱向疲勞斷口的疲勞源的微觀形貌；用微區(qū)能譜儀得到所述縱向疲勞斷口的疲勞源的化學(xué)成份，確定夾雜物類(lèi)型及來(lái)源。
2.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述探測(cè)所述縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置的方法為超聲波探傷方法。
3.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述切取從橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌的方法為機(jī)加工方法。
4.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述將所述橫向疲勞裂紋壓開(kāi)的方法為線切割方法。
5.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述觀察所述橫向疲勞斷口的宏觀形貌包括觀 察所述橫向疲勞斷口的疲勞源和與疲勞弧線相垂直的放射狀條紋分散方向。
6.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述切取的初步試樣從橫向疲勞斷口面沿縱向面的長(zhǎng)度為15 30mm。
7.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述將所述初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)的方法為線切割方法。
8.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于:所述清洗所述二偶合縱向疲勞斷口試樣的方法為采用放有丙酮溶液的超聲波清洗。
9.如權(quán)利要求1所述的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，其特征在于，所述用掃描電子顯微鏡觀察所述裂紋源的微觀形貌包括: 在掃描電子顯微鏡下先對(duì)所述縱向疲勞斷口做低倍觀察，得到所述縱向疲勞斷口的整體形貌和特征，確定觀察部位； 找到所述裂紋源，并分析裂紋源區(qū)，包括所述源區(qū)的位置、形貌和特征；通過(guò)縱向疲勞斷口的全貌照片、縱向條狀疲勞裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的照片來(lái)綜合表述所述縱橫型核傷軌的斷口信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法，包括探測(cè)所述縱橫型核傷軌的軌頭內(nèi)部橫向疲勞裂紋的位置；將所述橫向疲勞裂紋壓開(kāi)，露出核傷橫向疲勞斷口，觀察所述橫向疲勞斷口的宏觀形貌并確定其核傷類(lèi)型；切取從橫向疲勞斷口面沿縱向面的核傷軌，得到初步試樣；將所述初步試樣的縱向疲勞裂紋揭開(kāi)，得到二偶合縱向疲勞斷口試樣，觀察縱向疲勞斷口的疲勞源的位置和尺寸；清洗所述二偶合縱向疲勞斷口試樣，用掃描電子顯微鏡觀察所述縱向疲勞斷口的疲勞源的微觀形貌；用微區(qū)能譜儀得到所述縱向疲勞斷口的疲勞源的化學(xué)成份，確定夾雜物類(lèi)型及來(lái)源。本發(fā)明的縱橫型核傷軌的取樣及斷口分析方法操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N33/20GK103235100SQ20131013183
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者馮巖青, 高明星 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司