高速铁路钢轨隐伤形成机理及维护策略

钢轨在服役过程中出现的滚动接触疲劳伤损主要有轨距角鱼鳞状裂纹、次表层裂纹、斜裂纹及隐伤等，这些伤损在普速、重载及高速铁路中普遍存在。其中，轨距角鱼鳞纹、轨面擦伤、剥离掉块等伤损的形成机理、发展过程及处置方式已开展了深入的研究，然而钢轨隐伤的机理研究相对不足，尤其是针对高速铁路的工况条件。近些年，随着我国高速铁路通过总质量的不断累积，高速铁路中的钢轨隐伤伤损逐渐增多，对安全运营构成威胁。

钢轨隐伤最早发现于英国、法国及日本的铁路线路，尤其在日本新干线中普遍存在，隐伤“黑斑”的外观特征即是由日本最早提出。国外学者对隐伤损伤机理开展了大量研究，Li等认为钢轨短波不平顺或者波磨会引发隐伤裂纹的萌生；Kapoor等认为钢轨踏面长期受到轮轨接触应力作用，表层或次表层微观组织由于延性耗竭萌生隐伤裂纹；Bogdanski等提出考虑静水压力影响的钢轨隐伤裂纹萌生机理；Farjoo等应用线弹性断裂力学计算应力强度因子，预测隐伤裂纹的萌生；Steenbergen等发现钢轨隐伤裂纹周围普遍存在白层组织，由于马氏体白层组织硬而脆，因而被认为是隐伤伤损的裂纹源。总结来看，不同国家的线路工况各有不同，钢轨隐伤的形成机理也各有不同。针对我国高速铁路的线路工况及轮轨接触关系，隐伤裂纹的萌生机理与扩展过程仍不够清楚，相应的探伤与维修养护策略也亟须研究。

本文针对我国高速铁路出现的钢轨隐伤伤损，重点研究隐伤伤损不同发展阶段的外观特征，对隐伤伤损的形成机理进行分析，进而提出针对我国高速铁路钢轨隐伤的维护对策及建议。

1 高速铁路钢轨隐伤伤损特征

1.1 钢轨初期隐伤

高速铁路钢轨初期隐伤裂纹外观形貌如图1所示。

从图1可以看出：轨面隐伤初始裂纹通常自工作边的光带边缘附近萌生，与行车方向呈120°～150°向光带中心扩展，形成前束裂纹；前束裂纹扩展至一定长度后开始转向，呈约90°向后发展形成后束裂纹；前束和后束裂纹所组成的V型裂纹是初期隐伤的典型特征；V型裂纹将沿次表层虚线区域扩展，轨面颜色与次表层裂纹扩展的深度和面积有关，初期隐伤轨面无明显颜色变化，或略微泛白。

1.2 钢轨中期隐伤

高速铁路钢轨中期隐伤裂纹外观形貌及隐伤钢轨纵向平直度如图2所示。

从图2可以看出：V型裂纹自工作边沿次表层向非工作边扩展，在非工作边光带边缘附近形成次生裂纹，次生裂纹呈近直线沿纵向分布；根据文献中的统计值与现场探伤数据总结光带中心轨面下的次表层裂纹扩展深度在3～6mm之间，轨面出现明显的黑斑；由于次表层裂纹的扩展，造成轨面黑斑区域低塌，光带明显宽化；3处隐伤伤损的低塌值分别为：-0.31，-0.37及-0.43mm。

轨面不平顺导致轮轨间形成较大的冲击载荷，进一步加快裂纹的发展速率，可能会伴随少量的轨面剥离掉块。

1.3 钢轨后期隐伤

将1根存在后期隐伤的高速铁路钢轨压断，其裂纹内部扩展形貌如图3所示。

图3 后期隐伤裂纹形貌

从图3可以看出：V型裂纹自轨面扩展至近3mm深的次表层，形成了覆盖光带受力范围的水平面扩展区，后续沿横截面扩展，形成了轨头内部核伤；断口内已形成较大核伤，裂纹自轨面向深度方向扩展了近30mm。

隐伤发展至后期，可能还会形成位置相近的多处隐伤，纵向间距在10cm以内，轨面可能出现较为明显的剥离掉块。

1.4 隐伤发展过程

总结图1-图3中隐伤不同发展阶段的轨面形貌特征、裂纹深度及扩展方式，形成高速铁路钢轨隐伤发展过程如图4所示，图中箭头方向为裂纹扩展方向。

图4 高速铁路钢轨隐伤发展过程

从图4可以看出：钢轨后期隐伤的裂纹深度通常大于5mm，可能形成了横截面核伤，存在断轨风险，对高速铁路列车的安全运营构成威胁。

2 我国高速铁路隐伤伤损

由于不同国家的铁路线路条件不同，钢轨通过总质量、行驶机车车辆类型、钢轨维修养护策略等方面也存在差异，导致钢轨隐伤的形成机理不尽相同。目前，针对钢轨隐伤伤损的形成机理，国际上主要存在2种主流观点，即擦伤白层组织诱发理论和延性耗竭诱发理论。然而，这2种理论的适用范围仍不明确，对这2种机理的解释也不够深入。尤其对于我国高速铁路而言，钢轨隐伤的问题在近几年陆续出现，相关机理研究不足，这2种主流观点是否适用于我国高速铁路线路条件也尚不明确。因此，需结合我国钢轨隐伤的实际案例，进一步开展分析与讨论。

2.1 擦伤白层组织诱发理论

2.1.1 擦伤白层组织诱发隐伤案例

擦伤是钢轨轨面常见的1种伤损类型，在某些特定条件下轮轨间会发生相对滑动，导致轨面产生一定厚度的白层组织（WhiteEtchingLayer，WEL）。

擦伤白层有别于钢轨母材珠光体组织，其微观组织主要由马氏体组成，马氏体组织脆而硬，极易萌生裂纹。因此，擦伤白层是轨面裂纹萌生的常见裂纹源之一。国外称这种由擦伤白层组织诱发的隐伤伤损为Studs。

采用腐蚀剂（体积分数为2%的硝酸酒精溶液）侵蚀我国某条高速铁路钢轨隐伤裂纹附近轨面光带，发现了白层马氏体组织，如图5所示。

图5 存在白层马氏体组织钢轨隐伤形貌

从图5可以看出：经侵蚀后，耐蚀性较强的马氏体组织呈现出白亮色，分布在裂纹周围，这些白层马氏体是隐伤伤损的裂纹源。

图5（b）所示钢轨隐伤的横断面微观组织分析如图6所示。

从图6可以看出：钢轨轨面沿光带横向分布着多处白层马氏体组织，距踏面裂纹源较近的白层组织约65μm厚，距离较远的白层组织约110μm厚，这是因为不均匀磨耗导致裂纹附近的白层马氏体发生了脱落。

2.1.2 钢轨白层组织形成机理

轮轨接触斑的微观组成和受力状态如图7所示。

从图7可以看出：轮轨接触斑近似呈椭圆形，长轴约10～12mm，短轴约5～8mm，整体面积很小；接触斑的受力状态较为复杂，主要包括垂向载荷、纵向蠕滑力及横向蠕滑力；轮轨接触斑通常由黏着区和微滑区2部分组成，黏着区在瞬时处于静止状态，而微滑区在瞬时存在微小的相对滑动，轮轨接触斑这种“静中有微动”的微观特征又称为蠕滑，蠕滑状态下所形成的切应力又称为蠕滑力，用于区别纯滑动时的滑动摩擦力。其中，纵向蠕滑力是动车组牵引或制动的外部动力，其大小与接触斑中微滑区所占的比重有关，当微滑区占比100%时，输出的牵引力最大，但同时也是车轮由蠕滑态转变为纯滑动的临界点。

根据以往经验，钢轨擦伤的形成常与机车启动“空转”打滑或制动“抱死”有关，这2种情况对应的接触斑均不是蠕滑状态。蠕滑力做功所产生的能量大部分转化为车体的动能，而宏观滑动所产生的能量主要转化为摩擦热，极快的加热和冷却过程会导致钢轨轨面组织发生马氏体相变，形成摩擦学白层组织（ThermallyProducedWEL）。

高速铁路钢轨中摩擦学白层组织的形成原因主要有以下2类。

（1）大轴重机车在高速铁路建设或维修养护期间，由于操作不当导致轮轨滑动，所形成的白层组织厚度较深，通常大于0.5mm，马氏体组织硬度可达500～800HB。这种由大轴重机车擦伤所形成的白层组织易发展形成轨面剥离掉块，而不是隐伤。

（2）动车组在启动或制动时，由于某些原因破坏了轮轨黏着状态，发生宏观滑动。由于动车组轴重较轻，所形成的白层厚度较薄，一般小于0.2mm。这种较薄的擦伤白层可能会逐渐发展为隐伤（如图5所示）。

摩擦学白层组织的形成通常涉及奥氏体与马氏体相转变过程，但在某些情况下，瞬时温度即使未达到奥氏体转变温度，也可能会形成白层组织，国外称其为塑性变形白层组织（SevereDeformationWEL），其形成原因为：在高速铁路动车组快速行驶的路段（如时速300～350km），轮轨接触斑瞬时承受了较大的纵向蠕滑力和高应变速率；根据绝热剪切带的形成理论，即使温度不高，但在高应变速率的作用下，接触斑内的微观组织会发生剧烈的塑性变形，通过长期塑性应变累积，可能会形成厚度在6～50μm的过饱和铁素体组织。这种组织在金相显微镜下也呈现白亮色，但其本质与摩擦学白层（形成机理和相组成）不同。

2.2 延性耗竭诱发理论

2.2.1 延性耗竭诱发的隐伤案例

钢轨轨面裂纹的产生通常与滚动接触疲劳（RCF）有关，如轨距角的鱼鳞纹。轨面组织经历长期RCF作用，逐渐延性耗竭，可能会形成钢轨隐伤裂纹，国外称这种由延性耗竭诱发的隐伤伤损为Squats［6］。

我国某条高铁线路由延性耗竭诱发的钢轨隐伤外观及横断面形貌如图8所示。

图8 延性耗竭诱发的钢轨隐伤外观及横断面形貌

从图8可以看出：此伤损钢轨轨面存在2处隐伤裂纹，纵向间距约4cm，工作边的V型裂纹和非工作边的次生裂纹已相互连通。压断钢轨后，可见次表层裂纹扩展深度约为4mm，还未形成核伤，属于中期隐伤的特征。

通过现场观测可知：钢轨伤损严重处踏面光带明显变宽，自光带边缘产生裂纹，裂纹呈V字形，部分裂纹两侧已形成黑斑。采用便携式硬度计对伤损位置的硬度进行测量，裂纹附近部分区域可测出较高的硬度（410HB以上），高于U71Mn母材硬度（约270HB）。

此外，该区段钢轨隐伤伤损具有周期性特征，伤损间距周期约为2.7m，与我国动车组车轮每滚动1圈的周长（2.7m）基本一致。追溯该区段钢轨的伤损历史，曾发生过轻微的钢轨硌伤，由于硌伤不严重，当时未做相关处理。英国铁路在20世纪70年代产生了大量的钢轨隐伤，英国科学家于1982年发现钢轨隐伤呈现3m的周期性分布规律，而3m是英国火车车轮的周长，由车轮上附带的硬颗粒物造成了钢轨硌伤，运营几年后钢轨硌伤发展为隐伤。因此，钢轨硌伤会造成轨面局部不平顺，接触应力在不平顺的轨面重新分配，又受到冲击载荷的加成作用，最终导致轨面局部区域应力集中，逐渐延性耗竭，形成钢轨隐伤裂纹。

图8所示钢轨隐伤横截面微观组织经腐蚀剂（体积分数为2%的硝酸酒精溶液）侵蚀后在光学显微镜下成像，如图9所示。

从图9可以看出：钢轨轨面裂纹附近没有白层马氏体组织，裂纹附近存在明显的加工硬化层，深度约0.1mm。

2.2.2 钢轨组织发生延性耗竭的原因

动车组在钢轨上前行的动力本质上是轨面提供的黏着力，黏着力的大小通过滑移斑内微滑区的占比进行调节（图7）。采用有限元模拟的方法计算不同黏着系数μ下轨面不同深度的切应力分布，钢轨廓形选取60N，动车组轴重为17t，通过计算可得纵向切应力随轨面深度的分布规律，如图10所示。

从图10可以看出：当黏着系数小于0.2时，轨面下0~2mm深度的切应力最大，易于次表层萌生裂纹；随着黏着系数的增大，轨面切应力逐渐增大，当黏着系数大于0.2，轨面相对次表面更容易发生延性耗竭，形成RCF伤损。因此，钢轨隐伤裂纹由表层萌生或次表层萌生，主要与此区间车辆行驶的黏着系数相关。

通过现场观测发现：我国高铁钢轨由延性耗竭诱发的隐伤伤损多集中在站内区间与道岔区。站内钢轨常承受较大的启动牵引力或制动力，而道岔钢轨受轨底坡与超高的影响，相比正线钢轨可能受到较大的接触应力。澳大利亚的研究表明，道岔区钢轨隐伤数量是正线钢轨隐伤的2倍。

钢轨组织的抗滚动接触疲劳性能还与其本征性能有关，主要体现在3个方面：①钢轨的剪切强度越高，抗延性耗竭能力越强；②钢轨组织的纯净度越高，其次表层的夹杂物越少，尺寸越小，因应力集中而萌生裂纹的概率越低；③钢轨平直度越好，减少麻点、硌伤、焊缝低塌及波磨等短波不平顺，均有利于减少隐伤裂纹的形成。

3 高速铁路钢轨隐伤维护策略

3.1 钢轨隐伤检测策略

高速铁路钢轨隐伤的发展速率快，一旦发展至后期具有横向断裂的风险，需对其进行有针对性的探伤检测。

3.1.1 隐伤频发线路特征

根据上述研究分析可知，隐伤常出现在站内与道岔区，应当缩短这2类区段线路钢轨及轨件的探伤周期。对于容易或曾经发生过擦伤的线路，如长大坡道，也应当加强探伤检测。

针对处于干燥环境的隧道，其线路钢轨可减少隐伤探测频率。根据前期的研究结果可知，隐伤裂纹之所以有较快的扩展速率，与雨水或油脂的油楔作用相关，如图11所示。

从图11可以看出：裂纹内存在较多的白色氧化物和摩擦马氏体，这些氧化物的形成与雨水的渗入有关。隧道内的钢轨基本不会受到雨水的影响，其探伤周期可适量延长。

3.1.2 初期隐伤伤损判据

1）钢轨轨顶面硬度

图1—图3及图5中所示的钢轨隐伤轨面硬度见表1。

表1 钢轨隐伤轨面硬度测量

由表1可知：存在白层马氏体的隐伤轨面硬度约为489HB；而由延性耗竭导致的隐伤轨面，产生了剧烈的加工硬化，平均硬度约为431HB。这2种隐伤的轨面硬度均高于高铁钢轨母材硬度（260～320HB）。因此，踏面硬度测量可以作为隐伤的判据之一。

2）钢轨平直度

隐伤的发展会伴随着低塌的出现，通过人工平直度测量或车载垂向加速度检测，可以作为可疑隐伤的判据之一。

3）钢轨是否存在白层马氏体组织

国外基于马氏体组织与珠光体组织不同的电磁性能，通过检测电磁信号分辨白层组织，然而这种方法检测效率较低，干扰误差大，目前技术还不够成熟，未大范围应用。我国应对容易或疑似发生钢轨擦伤的线路进行定期白层组织检测，可采用腐蚀剂（体积分数为2%的硝酸酒精溶液）侵蚀法观察轨面颜色变化。

3.2 隐伤钢轨打磨策略

20世纪90年代，日本新干线存在较多的钢轨隐伤，针对此问题，日本新干线制定了相应的打磨策略［17］，其示意图如图12所示。

从图12可以看出：经过40Mt通过总质量时，表面萌生V型裂纹，产生初期隐伤，裂纹深度不大于0.05mm，此时通过周期性打磨，可有效控制隐伤裂纹的发展；若未进行及时打磨，随着低塌的恶化，隐伤裂纹进入快速发展阶段，经过100Mt通过总质量时，出现剥离掉块或黑斑的特征，形成中期隐伤，此时裂纹深度不大于6mm，已很难通过打磨进行治理。

从图11可以看出，隐伤裂纹在扩展过程中会形成较多的衍生裂纹，深度较深，若不能打磨干净，始终为安全隐患。因此，日本新干线针对隐伤频发区段的打磨周期定为40Mt，通过周期性打磨将隐伤始终控制在萌芽阶段。

根据澳大利亚铁路的研究可知，其钢轨隐伤伤损的打磨周期定为10～15Mt，每次打磨深度为0.05mm。英国铁路则是按照每年0.2mm的总磨耗量进行打磨，其磨耗量是自然磨耗与打磨磨耗的总和。可见，由于线路条件、钢轨材质、车辆特征、通过总重各有差异，不同国家的隐伤预防性打磨策略也各不相同。

基于研究结果可知，我国高速铁路钢轨隐伤伤损包括白层组织诱发和延性耗竭诱发2种形式。其中，Studs自脆而硬的马氏体周围萌生裂纹，形成Studs的通过总质量较小，而形成Squats的通过总质量较大。目前，我国已形成高速铁路钢轨打磨关键技术，区间线路的钢轨打磨周期原则上60～90Mt通过总质量打磨1次，然而系统性隐伤周期性打磨策略尚未形成。针对我国高铁出现隐伤的不同线路工况特点，如站内、道岔区、长大坡道，相应的打磨周期应有所不同，具体打磨策略有必要开展深入研究。建议采用轨面硬度、平直度及白层马氏体检测等方式对初期隐伤伤损进行探伤，需缩短隐伤频发线路（站内、道岔区、长大坡道）的探伤周期与打磨周期。

4 结论及建议

（1）高速铁路钢轨隐伤可分为初期、中期及后期3个发展阶段。初期隐伤以V型裂纹为主，裂纹深度较浅；中期隐伤呈现黑斑和低塌，此时裂纹深度可达3～6mm；后期隐伤发展为剥离掉块或内部核伤。

（2）白层组织诱发和延性耗竭诱发2种钢轨隐伤形成机理引发的钢轨隐伤在我国高速铁路的不同区段均有发现，具体形成原因与线路工况有关。

（3）我国由白层组织诱发的高速铁路钢轨隐伤，其裂纹附近的白层组织厚度小于0.2mm，这类较薄的白层组织一般由动车组在某些条件下的失黏滑动造成。

（4）我国高速铁路由延性耗竭诱发的钢轨隐伤多集中在站内和道岔区，较大的轨面切应力和轨面不良平直度均是造成钢轨组织延性耗竭的原因。

（5）建议采用轨面硬度、平直度及白层马氏体检测等方式对初期隐伤伤损进行探伤，需缩短隐伤频发线路（站内、道岔区及长大坡道）的探伤周期，并针对我国高铁线路的工况特点，开展隐伤周期性打磨策略研究。

文章来源：

原文名称：我国高速铁路钢轨隐伤形成机理及维护策略

作者信息：刘佳朋，张银花，田常海，李英奇，刘丰收（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）

期刊信息：中国铁道科学 2022年3月