任務1 鋼軌和鋼軌傷損認知
1.1.1 工作任務
參觀鐵路線路，通過測量鋼軌斷面，了解各種軌型鋼軌的尺寸并能繪制鋼軌斷面圖。通過觀察傷軌實物和圖片，了解鋼軌傷損的類型及產生的原因。
1.1.2 相關配套知識
1.鋼軌
1）鋼軌的作用和要求
鋼軌是軌道結構的重要部件，直接承受機車、車輛荷載的作用，它的強度和狀態，直接關系到鐵路運輸的安全、平穩和暢通。
（1）鋼軌的作用
支持并引導機車車輛按規定的方向運行，將來自車輪的荷載和沖擊傳布于軌枕和扣件之上；在自動閉塞區段，鋼軌又成為軌道電路中的一部分，起到信號電流的傳輸作用；在電氣化區段，鋼軌還作為電力機車牽引電流的回流導線作用。
（2）鋼軌的要求
鋼軌必須為車輪提供連續、平順和阻力最小的滾動表面，又為機車提供最大的黏著牽引力，因而要求鋼軌頂面具有相應的摩擦系數，能產生一定的摩擦力；鋼軌受到車輪輾壓會產生彎曲，為抵抗彎曲，鋼軌應具有相當的強度。但因鋼軌是承受沖擊的受力體，為了減輕車輪對鋼軌的沖擊作用，減少機車、車輛走行部分及鋼軌的裂損，鋼軌又必須具有一定的可撓性；為使鋼軌不至于被巨大壓力壓潰或迅速磨耗，鋼軌應具有足夠的硬度。但硬度太高時，鋼軌又容易被車輪的動力沖擊所折斷，因此，鋼軌又應具有一定的斷裂韌性。此外，鋼軌還應具有較強的抗剝離性和抗疲勞性，一定的耐腐蝕性，良好的可焊性等。
2）鋼軌的分類和斷面尺寸
（1）鋼軌的分類
目前我國定型生產的鋼軌分類如下：
①按鋼種分：碳素軌和合金軌。碳素軌主要以碳（C）、錳（Mn）兩元素來提高強度，改善韌性，如U71Mn、AP1、U74。合金軌是以碳素軌為基礎，添加適量合金元素釩（V）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、鉬（Mo）等，來提高鋼軌的強度和韌性，如PD1、PD3、V—Ti軌。
②按鋼軌的重量分：38kg/m（P38）、43kg/m（P43）、45kg/m（P45）、50kg/m（P50）、60kg/m（P60）和75kg/m（P75）。
③按力學性能分：普通軌、高強軌、耐磨軌。普通軌是指抗拉強度不小于800MPa的鋼軌；高強軌是指抗拉強度不小于900MPa的鋼軌；耐磨軌是指抗拉強度不小于1100MPa的鋼軌。
（2）鋼軌的斷面尺寸及斷面圖
鋼軌斷面為左右對稱的工字形，如圖1.3所示，從上往下分為軌頭、軌腰和軌底三部分。50kg/m、60kg/m、AT鋼軌斷面圖分別如圖1.4、圖1.5、圖1.6所示。不同型號的鋼軌，其截面尺寸和螺孔位置各不相同，表1.1列出了各種軌型鋼軌外形幾何尺寸表。
圖1.3 鋼軌斷面、側面示意圖
表1.1 各種軌型鋼軌外形幾何尺寸表（mm）
圖1.4 50kg/m鋼軌斷面圖（單位：mm）
圖1.5 60kg/m鋼軌斷面圖（單位：mm）
圖1.6 AT鋼軌斷面圖（單位：mm）
3）鋼軌的標志及說明
鋼軌出廠時應有制造廠標、鋼軌類型、鋼種符號、鋼軌制造年月、熔煉號、品級號等標志，了解和掌握鋼軌標志的內涵，可為今后有針對性地進行鋼軌探傷、判斷傷損形成原因和發展方向提供依據。
（1）國內外鋼軌生產廠家名稱代號及爐罐號說明
鋼軌標志一般均軋制于鋼軌一側軌腰上，有兩種類型，一種是輥軋凸字，字體凸出于軌腰表面；另一種為熱軋凹字，字體凹陷在軌腰表面以下。
①國產鋼軌生產廠家名稱、代號（輥軋凸字）見表1.2。
表1.2 國產鋼軌生產廠家名稱、代號（輥軋凸字）
②國產鋼軌爐罐號說明（熱軋凹字）見表1.3。
表1.3 國產鋼軌爐罐號說明（熱軋凹字）
③進口鋼軌生產廠家名稱代號（輥軋凸字）見表1.4。
表1.4 進口鋼軌生產廠家名稱代號（輥軋凸字）
④進口鋼軌爐罐號說明（熱軋凹字）見表1.5。
表1.5 進口鋼軌爐罐號說明（熱軋凹字）
（2）煉鋼爐、煉鋼工藝、鋼種及熱處理標志說明
①煉鋼爐種類及煉鋼工藝代號說明（輥軋凸字）見表1.6。
表1.6 煉鋼爐種類及煉鋼工藝代號說明（輥軋凸字）
②鋼種、爐種代號及生產時間說明（輥軋凸字）見表1.7。
表1.7 鋼種、爐種代號及生產時間說明（輥軋凸字）
③熱處理（淬火）工藝代號說明（輥軋凸字或熱軋凹字）見表1.8。
表1.8 熱處理（淬火）工藝代號說明（輥軋凸字或熱軋凹字）
④國內各廠淬火軌標記見表1.9。
表1.9 國內各廠淬火軌標記
4）鋼軌生產過程
鋼軌制造應采用平爐、氧氣轉爐冶煉的鎮靜鋼制造，為保證鋼軌沒有縮孔和有害的偏析，鋼錠頭、尾的鋼坯應進行充分切除，并應采用使鋼軌中不產生白點的生產工藝。目前，世界上主要采用長流程和短流程兩種生產鋼軌的工藝。
（1）鋼軌長流程工藝
以礦石為原料，經高爐、轉爐冶煉，再經爐外精煉、真空脫氣、連鑄機鑄成一定尺寸的鋼坯等14道工序（表1.10）來完成鋼軌的制造。
表1.10 鋼軌生產的長流程工藝
續上表
（2）鋼軌短流程工藝
以廢鋼為主要原料，經電爐粗煉，LF爐精煉，VD爐脫氣后送連鑄機鑄成所需尺寸的鋼坯，其后部工藝與長流程工藝第5～14道工序相同。
隨著連鑄技術的進步，自動化檢測和控制技術的結合，鋼軌生產工藝采用連鑄異形坯，直接送萬能軋機軋制，使鋼軌制造工藝流程會更短，生產效率和鋼軌質量會更高。
5）鋼軌的化學成分和機械性能
（1）鋼軌的化學成分
鋼軌的組織與性能主要取決于它的化學成分。合適的化學成分是保證鋼軌質量，提高鋼軌的機械性能的主要因素之一，而鋼材冶金過程中難以除去的有害元素又對鋼材性能產生不良的影響，表1.11是鋼軌中除鐵以外的主要化學元素和作用。
為了進一步改善鋼軌的機械性能，冶金部門開發了微合金軌，即在碳素鋼中加入鉻（Cr）可提高鋼的強度、硬度、耐磨性、淬透性和耐磨蝕性；加入釩（V）可提高鋼的強度、耐磨性和淬透性，改善鋼的塑性和韌性；加入鈦（Ti）可細化鋼的晶粒，提高強度，改善韌性；加入稀土可細化有害的非金屬雜質的粒徑，改善鋼的耐磨性和韌性。
表1.11 鋼軌中除鐵以外的主要化學元素和作用
（2）鋼軌的機械性能
①強度
鋼軌在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。常以強度極限、屈服極限等指標來表示。強度極限（抗拉強度）是指金屬材料抵抗拉伸載荷作用而不至破壞的最大應力，用σb表示；屈服極限（屈服強度）是指金屬材料在載荷不增加的情況下，仍能產生明顯塑性變形時的應力，用σs表示，單位為MPa。
②塑性
金屬材料在載荷作用下產生顯著的變形而不致破壞，并在載荷取消后，仍能保持變形后的形狀，常以伸長率和斷面收縮率等指標來表示。伸長率是試樣拉斷后，標定長度的伸長量與原始標定長度之比的百分點，用δ表示；斷面收縮率是試樣斷口面積的縮減量與原截面面積之比的百分數，用ψ表示。
③金屬材料抵抗另一種更硬物體（材料）壓入其表面的能力。根據測定方法的不同，可分為布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）等。
實踐證明，硬度和強度之間有一定對應關系，可以根據布氏硬度值近似地換算出該材料的抗拉強度值，如：低碳鋼σb≈0.36HB，高碳鋼σb≈0.34HB。
④韌性
金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不致破壞的能力。金屬材料韌性的好壞，可通過沖擊試驗測定，用沖擊韌性值αk表示，單位kJ/m2。
⑤疲勞
在交變載荷的作用下，材料發生斷裂的現象。金屬材料抵抗疲勞的能力，用疲勞強度來衡量。疲勞強度就是金屬材料在無數次重復的交變載荷作用下，而不致破壞的最大應力，用σ-1表示。碳素鋼的疲勞強度與抗拉強度之間的近似關系：
σ-1=（0.4～0.55）σb
2.鋼軌傷損
鋼軌缺陷包括制造中遺留的缺陷（白點、氣泡、縮孔、偏析、非金屬夾雜等）和使用過程發生的缺陷兩類，后者稱為鋼軌傷損。
1）鋼軌傷損定義
鋼軌傷損是指鋼軌在使用過程中發生的折斷、裂紋及其他影響和限制鋼軌使用性能的各種狀態。
（1）鋼軌折斷是指發生下列情況之一者：
①鋼軌全截面至少斷成兩部分；
②裂紋已經貫通整個軌頭截面；
③裂紋已經貫通整個軌底截面；
④允許速度小于160km/h區段，鋼軌頂面上有長度大于50mm且深度大于10mm的掉塊；允許速度大于160km/h區段，鋼軌頂面上有長度大于30mm且深度大于5mm的掉塊。
斷裂分兩種形式：鋼軌折斷后在斷口上能觀察到較明顯的疲勞斷口時稱為疲勞斷裂；鋼軌折斷后在斷口上沒有明顯的疲勞斷口時稱為脆性斷裂。
（2）鋼軌裂紋是指鋼軌表面或內部的部分金屬發生分離。
（3）鋼軌其他傷損是指除裂紋、折斷以外，影響鋼軌使用性能的磨耗、壓潰、壓陷（或凹陷）、波浪磨耗、彎曲變形、表面缺陷、外傷腐蝕等傷損。
2）鋼軌傷損標準
鋼軌傷損程度按傷損輕重，分為不到輕傷、輕傷、重傷和折斷四類。
（1）鋼軌輕傷標準
①普速鐵路鋼軌頭部磨耗超過表1.12、高速鐵路鋼軌頭部磨耗超過表1.13所列限度之一者。
表1.12 普速鐵路鋼軌頭部磨耗輕傷標準
表1.13 高速鐵路鋼軌頭部磨耗輕傷標準
注：1.總磨耗=垂直磨耗+1/2側面磨耗。
2.對于導軌、翼軌及尖軌、心軌、叉跟尖軌全斷面區段，垂直磨耗在鋼軌頂面寬1/3處（距標準工作邊）測量；對于尖軌、心軌、叉跟尖軌區段，垂直磨耗自軌頭最高點測量。
3.側面磨耗在鋼軌踏面（按標準斷面）下16mm處測量。
4.磨耗影響轉換設備安裝時，按重傷處理。
5.谷深為相鄰波峰與波谷間的垂直距離。
②普速鐵路鋼軌傷損達到表1.14、高速鐵路鋼軌傷損達到表1.15所列限度之一者。
表1.14 普速鐵路鋼軌傷損輕傷標準
表1.15 高速鐵路鋼軌傷損輕傷標準
（2）鋼軌重傷標準
①普速鐵路鋼軌頭部磨耗超過表1.16、高速鐵路鋼軌頭部磨耗超過表1.17所列限度之一者。
表1.16 普速鐵路鋼軌頭部磨耗重傷標準
表1.17 高速鐵路鋼軌頭部磨耗重傷標準
注：1.對于導軌、翼軌及尖軌、心軌、叉跟尖軌全斷面區段，垂直磨耗在鋼軌頂面寬1/3處（距標準工作邊）測量；對于尖軌、心軌、叉跟尖軌區段，垂直磨耗自軌頭最高點測量。
2.側面磨耗在鋼軌踏面（按標準斷面）下16mm處測量。
3.基本軌、翼軌、尖軌、心軌磨耗會影響密貼及軌件高差，磨耗的輕重傷標準應較區間鋼軌嚴格。
4.磨耗影響轉換設備安裝時，按重傷處理。
②普速鐵路鋼軌傷損達到表1.18、高速鐵路鋼軌傷損達到表1.19所列限度之一者。
表1.18 普速鐵路鋼軌傷損重傷標準
續上表
表1.19 高速鐵路鋼軌傷損輕傷標準
3）鋼軌傷損標記
根據《鐵路線路維修規則》規定，鋼軌傷損標記見表1.20。
表1.20 鋼軌傷損標記
4）鋼軌傷損分類
為了規范鋼軌傷損分類，原鐵道部1986年發布TB/T 1778標準《鋼軌傷損分類》，該標準將鋼軌傷損采用兩位數字編號進行分類，十位數表示傷損在鋼軌斷面上的位置和傷損狀態，個位數表示造成傷損的原因。隨著鋼軌傷損分類要求的提高，2010年重新發布TB/T 1778標準，新標準規定了鐵路鋼軌各種傷損的分類、編號、傷損描述、傷損原因、檢測方法及采取措施，它適用于統計鋼軌傷損情況，分析鋼軌傷損原因及鋼軌傷損信息處理。以下簡要介紹TB/T 1778—2010標準。
（1）鋼軌傷損分類編號規則
鋼軌傷損分類編號采用五位數字表示。
第一位有0～7和9共9個數，分別表示傷損在鋼軌長度上的起始位置（注：凡屬于與接頭狀態、接頭質量及焊接質量等有關的傷損，在傷損編號中按在夾板接頭和焊接接頭區域形成的傷損進行分類和登記；凡屬于與軌身相同原因形成的傷損，在傷損編號中，按軌身處形成的傷損進行分類和登記）。
第二位有0～6共7個數，分別表示傷損在鋼軌橫截面上的起始位置。
第三位有0～9共10個數，分別表示不同的傷損狀態。
第四位表示對傷損狀態的細化，細化順序以1、2、3、4…編號，沒有細化的編號為0。
第五位有1～4共4個數字，分別表示不同的傷損程度。
（2）鋼軌傷損分類編號結構
鋼軌傷損分類編號結構見表1.21。
表1.21 鋼軌傷損編號結構（TB/T 1778—2010）
（3）鋼軌傷損分類編號對比
TB/T 1778—2010鋼軌傷損編號與TB/T 1778—1986鋼軌傷損編號、TB/T 2172—1990鋼軌傷損代碼對照表（表1.22）。
表1.22 TB/T 1778—2010與1778—1986、TB/T 2172對照表
續上表
5）鋼軌傷損產生原因及分布情況
鋼軌傷損從超聲波鋼軌探傷專業上可分為五大類，有鋼軌核傷、鋼軌接頭部位傷損、鋼軌縱向水平和垂直裂紋、鋼軌軌底裂紋、鋼軌焊縫缺陷（鋼軌焊縫缺陷在項目4中介紹），典型傷損圖片見附錄1。
（1）鋼軌核傷
鋼軌核傷從超聲波探傷專業上稱為軌頭橫向裂紋。鋼軌核傷產生原因是由于鋼軌冶煉和軋制過程中材質不良或使用過程中的缺陷，在列車重復荷載作用下形成應力集中，疲勞源不斷擴展，逐漸發展而形成。核傷主要產生的部位在鋼軌頭部內側，隨著核傷直徑增大，鋼軌承載能力急劇下降，在高速重載的使用環境下極易發生鋼軌折斷，因此，它是鋼軌傷損中危害最大者之一。
①材質缺陷形成的核傷
鋼軌在制造過程中，由于冶金缺陷和鋼錠切除不夠，鋼錠內部存在白點、氣泡、非金屬夾雜物、偏析和縮孔殘余等缺陷，經輥軋后成片狀存在于軌頭中，在列車載荷的重復作用下，這些缺陷生產的疲勞源逐步擴展，形成有危害的核傷。這類核傷斷面具有平坦光亮的表面，通常為白核，當白核發展到軌面與空氣接觸氧化后成黑核。如果疲勞源系白點引起，則同一爐罐號的鋼軌都可能有白點存在。有多處白點的鋼軌在使用過程中極易形成多處橫向疲勞裂紋，致使鋼軌突然折斷為幾段甚至幾十段，每段鋼軌斷口橫向裂紋的形貌基本一致，只是裂紋面積大小不同，對行車安全危害極大。圖1.7及圖1.8分別為白點和縮孔缺陷形成的核傷形貌。
圖1.7 白點形成的核傷形貌
圖1.8 縮孔形成的核傷形貌
②接觸疲勞形成的核傷
大運量重載區段，由于車輪與鋼軌間接觸應力過大，在列車荷載多次作用下，先產生軌頭頂面剝離或其他表面傷損，然后發展成核傷。一般核源位于軌頭內側上角距頂面和側面5～15mm的范圍內，如圖1.9及圖1.10所示。
圖1.9 表面接觸疲勞形成的核傷
圖1.10 表面接觸疲勞形成的核傷
圖1.11 側磨嚴重下顎尖端微裂邊形成的核傷
③側磨嚴重形成的核傷
目前部分客車與貨車運行速度相差較大，曲線地段超高設置無法滿足各種車速的要求，因此，造成鋼軌偏載現象，使鋼軌承載量上升。曲線上股鋼軌側磨嚴重，輪緣對軌顎的擠壓，以及水平推力與撓曲應力的復合作用，使下顎尖端產生微裂紋，成為疲勞源，在列車往復作用下，裂紋擴展形成核傷，如圖1.11所示。
④魚鱗破損形成的核傷
車流密度高，行車速度快的重載區段，由于列車在復線中單向運行，小半徑曲線上股軌頭內側表面經常發生魚鱗狀破損，如圖1.12所示。它不同于一般的軌頭金屬碎裂和剝離，常以裂紋尖端為疲勞源，逐步形成核傷，其特點是發展快，且呈多面核。疲勞周期從1.7×108t至5.6×108t不等，一般為3×108t左右。
圖1.12 魚鱗破損形成的核傷
⑤擦傷（焊補）形成的核傷
機車起動或爬坡時車輪空轉，以及機車制動滑行時車輪與鋼軌間劇烈摩擦產生高溫，使軌頂面金屬組織變硬、變脆，在列車荷載作用下形成網狀裂紋，并向下發展成為核傷。當焊補軌面擦傷和掉塊時，因焊面未打磨干凈，留有微裂紋或焊補工藝不良產生缺陷，這些缺陷在機車荷載作用下，極有可能在焊補層下形成核傷，如圖1.13所示。
圖1.13 焊補不良形成的核傷
除上述原因外，軌腰縱向裂紋向軌頭延伸、鋼軌淬火工藝不良導致軌頭碎裂和鋼軌制造時產生的重皮等缺陷，在機車荷載作用下，裂紋端部都是疲勞源很容易形成核傷。鋼軌核傷的產生和發展不僅與材質有關，而且與鋼軌所處的使用環境有關，凡受沖擊力大，軌面狀態不良地段的鋼軌，如曲線上股、大坡道地段、鋼軌小腰和道岔基本軌等，最容易產生疲勞核傷，這些地段在鋼軌探傷中應引起重視。
（2）鋼軌接頭傷損
鋼軌接頭是線路的薄弱環節，車輪作用在鋼軌接頭上的最大慣性力要比其他部位大60％左右。鋼軌接頭的主要傷損是螺孔裂紋，其次是下顎裂紋和馬鞍形磨耗等。
①螺孔裂紋產生原因
螺孔裂紋產生的主要原因是鉆孔不當、接頭沖擊過大、線路養護不良等。
a.鉆孔不當。鋼軌軌腰在鉆螺栓孔后，強度被削弱，螺孔周邊產生較高的局部應力；其次螺孔鉆制不良，螺孔周邊有毛邊缺口或鋼軌銹蝕，螺孔周邊有銹蝕缺口；以及螺孔鉆制位置不對，有高度誤差，這些缺陷都會使螺孔周邊產生應力集中，進而形成螺孔裂紋。
圖1.14 鋼軌接頭受力狀態
b.接頭沖擊力過大。在有縫線路中，機車車輪躍過鋼軌軌縫時，對迎端軌產生較大的沖擊力，從鋼軌接頭受力狀態中，如圖1.14可看出P1、P2大于靜態力P3，因此，接頭區鋼軌本已因鉆螺孔強度被削弱，又承受更大的沖擊荷載力，致使裂紋發生率上升。
c.線路養護不良。由于鋼軌接頭養護工作不到位，造成道床板結、低接頭、軌枕空吊、高低錯牙，接頭螺栓扭力不夠或線路爬行，產生大軌縫等，這些不良的接頭狀態都會增加機車對接頭的沖擊力，從表1.23各種條件下螺孔拉應力增量中，充分說明養護不良使螺孔承載力加大，螺孔裂紋產生率升高。
表1.23 各種條件下螺孔拉應力增量
圖1.14表示接頭應力分布情況，第一螺孔的荷載力處于最高值區域，裂紋的生產與受力成正比關系，因此，第一螺孔的裂紋比其他螺孔產生裂紋的比例更高。從統計資料上顯示，第一螺孔裂紋占螺孔裂紋的78％，尤其是岔后引軌、復線區段迎著列車運行方向軌端第一螺孔裂紋的發生頻率更高，而且在第一螺孔上不同象限螺孔裂紋的發生率相差很大，Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂紋發生率最高，如圖1.15所示，占總數的60.1％，這些是鋼軌探傷中應重視之處。
②軌頭下顎裂紋的形成
接頭鋼軌下顎裂紋的形成，主要是長期受到過大的偏載、水平推力以及軌頭撓曲應力的復合作用；其次是鋼軌接頭采用斜坡支承夾板，使軌顎承受向上拉力，如圖1.16（a）所示；再加上養護作業不良，以及機車車輛的蛇形運動產生的橫向作用力等多方面因素同時作用的結果。由于外側應力大于內側，因此，下顎裂紋往往具有從外向內逐步擴展的特點，如圖1.16（b）所示。
圖1.15 第一螺孔各象限產生螺孔裂紋概率（％）
③馬鞍形磨耗的特征
鋼軌軌端接頭淬火工藝不良，淬火區與非淬火區之間硬度過渡不均勻，在列車荷載多次作用下，該部分產生壓陷，形成鋼軌接頭區兩側凸、中間凹下的馬鞍形，如圖1.17所示。
圖1.16 鋼軌軌顎受力與裂紋
圖1.17 馬鞍形磨耗軌外貌
（3）鋼軌縱向水平和垂直裂紋
由于鋼軌制造工藝不良，沒有切除鋼錠中帶有嚴重偏析、縮孔、夾雜等缺陷，在鋼錠軋制成鋼軌后，缺陷成片狀殘留在軌頭、軌腰、軌底中，與鋼軌縱向平行，呈水平或垂直狀態出現，如圖1.18所示?？v向垂直的裂紋經機車長時荷載作用后，會向外膨起成為膨泡裂紋。無縫線路區段，曲線地段鋼軌長期受到過大的偏載，在鋼軌顎部或軌腰上會產生水平裂紋，如圖1.19所示。
圖1.18 鋼軌水平和縱向裂紋
圖1.19 焊接接頭下顎水平裂紋
（4）鋼軌軌底裂紋
軌底裂紋的形成原因有以下種：
①軌腰垂直縱向裂紋向下發展成軌底裂紋，如圖1.20（a）所示。
圖1.20 鋼軌軌底裂紋
②軌底銹坑或劃痕發展形成的軌底橫向裂紋，如圖1.20（b）。
③在制造鋼軌時，軌底存在軋制缺陷或因軌底與墊板軌枕間不密貼，使用中軌底局部產生過大的應力，造成軌底橫向裂紋或破裂。
④焊接工藝不良，產生過燒、未焊透、氣泡、夾雜，以及光斑或灰斑等內部缺陷，造成軌底橫向裂紋，如圖1.20（c）。