第2900期8年(总9月120) JOURNALOF铁R A道ILW A工Y E程NG IN学E ER报INGSOCIETY NOS.e9p( Se2r0.01820) 文章编号 :1006 -2106(2008)09 -0030 -05
我国重载铁路用 68 kg/m钢轨试验研究
136RE(68 kg/m)railsareappliedwidelyandmaturelyonheavyhaulrailwaylinesincountrieswhichhavedeveloped heavyhaulrailwaynetwork.Itisnecessarytoinvestigatepropertiesof68 kg/m(136RE)railsinordertoprovidemore typeofrailsforheavyhaulrailwayindomestic. Researchconclusions:Theultimatetensilestrengthatroomtemperatureofhot-rolledrailsis1 080 MPa, andhardness oftreadisupto300 HB.TheHandOcontentsoffinishedrailsare0.5 ×10-4% and12.3 ×10-4% respectively.The microstructureoftreadandgaugecornerisconsistofpearliteandalittleferrite.Thelargestresidualtensilestressin railsbottomis200.2MPa.Thefracturetoughness(KIC)at-20 ℃ is32.5 MPa· m1/2 .Whenthestressintensityfactor (ΔK)is10 MPa· m1/2 and13.5 MPa· m1/2 , thefatiguecrackgrowthrate(da/dN)isrespectively9.55 m/Gcand 31.98 m/Gc.Allresultsshow thatthe68kg/m hot-rolledrailssatisfyrequirementsof"tentativetechnical specificationsof68kg/mrails", andcouldbelaidonheavyhaulrailwayline.
Keywords:68 kg/m rails;heavyhaulrailway;experimentalresearch
钢轨重型化是提高重载铁路轨道寿命的有效措 施 。目前我国已有多条以货运为主的线路年通过总重
在亿吨以上 , 除了大秦重载铁路以及朔黄 、神朔等铁路 铺设使用了当今世界上断面最大的 75 kg/m钢轨外 ,
表 1 68 kg/m SS钢轨化学成分 /wt%
炉号
C
Si
Mn
P07604510 0.82
0.52
1.1 6
技术要求 0.74 ～ 0.84 0.10 ～ 0.20
P 0.0 14 <0.02 0
Cr 0.2 4 <0.25
Ni 0.028 <0.2 5
ExperimentalResearchonthe68 kg/mRailsforHeavyHaulRailway
CHEN Zhao-yang, ZHANGYin-hua, ZHOUQing-yue, LIUFeng-shou (ChinaAcademyofRailwaySciences, Beijing100081, China) Abstract:Researchpurposes:Now75 kg/mrailsareappliedonheavyhaulrailwaylinesindomestic, butAREMA
发达国家的重载铁路大量使用 68 kg/m断面的钢 轨 , 且较为成熟 。 美国铁路以货运为主 , 轴重 30 t以上 的货车占 65%。美国铁路工程保养协会 (AREMA)标 准中规 定了 115RE、119RE、 132RE、 136RE、140RE和 141RE等 6种断面的钢轨 , 其中重载铁路上主要采用 132RE(65.47 kg/m)和 136RE(67.75 kg/m)断面的钢 轨 。澳大利亚也是世界上重载铁路运输发达的国家之 一 , 轴重达到 22.5 ～ 37 t, 所铺设钢轨的断面主要为美 标 119RE、132RE和 136RE[ 1] 。
果为 :踏面脱碳层深度 0.19 mm, 轨角脱碳层 0.25 mm, 达到了暂行技术条件规定小于 0.5 mm的要求 , 如图 1 所示 。
表 3 夹 杂物检验分析结果
检验标准
A
B
C
D
暂行技术条件
2.0
1.0
1.5
1.0
AREMA-20 04
1.0
-
1.0
1.0
研究表明 , 钢轨中的夹杂物类别 、数量和分布对钢 轨的疲劳性能有着重要的影响 , 尤其是 B类 (氧化铝 ) 和 C类 (硅酸盐 )夹杂物 。 因此 , 必须严格控制轨钢中 夹杂物的级别 。由表 3中的 结果可见 , 68 kg/m钢轨 中的夹杂 物级别 均满足 暂行 技术 条件和 AREMA2004的要求 。 2.6 显微组织
抗拉强度 Rm/MPa
1 080 1 080
1 080 ≥ 980
屈服强度 Rp0.2 /MPa
5 60 5 55
5 58 ≥ 510
伸长率 A/%
1 1.0 1 0.0 1 0.5 ≥10
断面 收缩率 Z/%
16.0 16.0 16.0
2.4 脱碳层 在踏面和轨角处取试样测量钢轨的脱碳层深度 , 结
究 。所有试样的取样位置及尺寸均采用暂行技术条件 的规定 , 具体位置见文献 [ 2] 。
在钢轨轨头 、轨腰 、轨底各部位分别钻孔 ( 8)取 屑 , 采用化学分析法进行成品化学成分及残留元素 分析 。
在轨头取样进行氢氧含量测定 , 试样尺寸为 6 × 50 mm, 采用 RH-402型 H分析仪和 TC-436型 O/N 分析仪进行氢氧含量的分析 。
目前我国的钢轨轨型主要有 50 kg/m、60 kg/m和 75 kg/m, 缺少 70 kg/m左右 的断面 。 因此开展 美标 68 kg/m(136RE)钢轨的试验研究 , 可为我国重载铁路 钢轨的铺用提供更多的选择 , 对全面发展我国重载铁 路运输具有重要的意义 。
1 试验内容及方法
按照 《68 kg/m钢轨暂行技术条件 》的要求 , 对攀 钢产 68 kg/m热轧标准碳素钢轨的成品化学成分及残 留元素 、氢氧气体含量 、轨顶面硬度 、拉伸 、显微组织 、 脱碳层深度 、非金属夹杂物 、低倍组织 、断裂韧性 、疲劳 裂纹扩展速率以及轨底残余应力等指标进行 试验研
2 试验结果及分析
2.1 化学成分及残留元素 我国 68 kg/m钢轨采用美国 AREMA-2004标准
中的 SS碳 素 钢 轨 的 熔 炼 成 分 , 主 要 成 分 范 围 为 (wt%):C0.74 ～ 0.84%、Si0.10 ～ 0.60、Mn0.75 ～ 1.25、Cr≤0.25。在 60 kg/m成品钢轨的轨头 、轨腰 、 轨底各部位分别钻孔 ( 8)取屑 , 对其化学成分及残留 元素进行分析研究 , 结果如表 1所示 。由结果可见 , 成 品钢轨的化学成分及残留元素符合暂行技术条件的要 求 , 其中 C、 Si和 Mn含量 分别 为 0.82%、0.52%和 1.16%, 均靠近规定成分范围的上限 , 这既保证了热轧 钢轨的踏面硬度 /300 HB, 又保证了其良好的热处理 性能 。
收稿日期 :2008 -06 -23 作者简介 :陈朝阳, 1976年出生 , 男 , 助理研究员, 博士研究生 。
第 9期
陈朝 阳 张银花 周清跃 :我国重载铁路用 68 kg/m钢轨试验研究
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其它线路上仍然铺用 60 kg/m钢轨 。 在年通过总重超 亿 t、开行 25 t轴 重以 上货 车的 重 载铁 路上 铺设 比 60 kg/m钢轨断面更大的钢轨是十分必要的 。
Mo <0.00 5 0.0 60
V 0.005 6 0.01 0
2.2 氢氧气体含量 按标准要求 , 测氧试样取自轨头 , 共 3个样 ;测氢
试样则取自轨头中心 ;试样尺寸均为 6 ×50 mm。 测 定结果为 :氢含量 (wt%)为 0.5 ×10-4 %, 平均氧含量 为 12.3 ×10-4 %, 均满足暂行技术条件的要求 。 过量 的氢是形成钢轨白点的主要原因 [ 4] , 因此必须严格控
钢轨残余应力的测试分别按照暂行技术条件规定 的贴片法和 AREMA-2004规定的轨腰锯切法进行 。
断裂韧性测试为非标试样 , 取自轨头, 采用 3 点 弯曲试样 , 试样 厚度 25 mm, 宽度 40 mm, 试验温 度 -20 ℃。
疲劳裂纹扩展速率测试采用 3点弯曲 、单边缺口试 样 , 试样厚度 20 mm, 宽度 45 mm, 切口长度 11.2 mm, 预 裂纹长度 1.8 mm, 试验温度室温 (24 ℃);应力比 R= 0.5;加载频率 25 Hz。
制成品钢轨中的氢含量 。 2.3 拉伸及轨顶面硬度
拉伸试样取自轨头 , 采用直径 d0 =10 mm、l0 =5d0
的比例试样 , 试验结果如表 2 所示 。 轨顶面硬度试样 长 210 mm, 轨头顶面磨去 0.5 mm, 每点间隔 20 mm, 共测量 9点 , 平均硬度为 300 HB, 达到了暂行技术条 件的要求 。
陈朝阳 张银花 周清跃 刘丰收
(中国铁道科学研究院 , 北京 100081)
摘要 :研究目的 :目前我国主要的几条 重载铁路铺设使用了当今世界上断面最大的 75 kg/m钢轨 , 国外重载铁 路发达的国家则大量 使用美国铁路保养 协会钢轨技术条件 (AREMA-2004)中 规定的 136RE(68 kg/m)断面 的钢轨 , 且较为成熟 。 因此开展 68 kg/m钢轨的试 验研究 , 可为我国重载铁路钢轨的铺用提供更多的选 择 , 对 发展我国重载铁路运输具有 重要的意义 。