魚尾板的裂紋的起源、擴展及控制

魚尾板的失效原因及分析
魚尾板裂紋的形成與魚尾板和鋼軌表面之間的相互作用密切相關。螺栓聯接的魚尾板與鋼軌接頭在實際工作狀態下并非一個剛性的整體，車輪的沖擊作用、軌縫的存在、尤其是由于鋼軌與魚尾板間的磨耗而造成的擰緊力的下降，將造成或加劇魚尾板與鋼軌間的相互輾壓，導致表層變形，這種變形的積累為魚尾板表面裂紋的萌生提供了極大的機會。因此，可以得出這樣的結論:魚尾板與鋼軌之間相互作用的狀況、魚尾板實際承受的載荷與魚尾板的材質決定魚尾板傷損的位置、時間、方式與速率，其中相互作用狀況主要影響著裂紋起源的位置與時間，載荷條件與材料狀況則更多地決定著裂紋擴展的方式與速率。當裂紋從魚尾板上口起裂時，由于受到的拉應力較小，因此起裂和擴展受材質影響更大些;當魚尾板從下口起裂時，受到的拉應力較大，起裂與擴展受載荷影響更大些。
季節對魚尾板的失效來說也是一個重要因素。從現場使用的情況來看，冬季魚尾板折損較其它季節明顯增多。通過對魚尾板冷脆溫度的測定可以看到，國內廣泛應用的B7材質魚尾板在-60℃至室溫范圍內其沖擊值已在測定的下平臺，因此可以認為材料的冷脆溫度不是造成冬季魚尾板大批斷裂的主要原因。進一步的分析認為，冬季魚尾板的斷裂可能與冬季軌縫的變化有關，冬季軌縫的增加會加大魚尾板尤其是第三、四螺栓孔中部的拉應力，此附加應力將造成魚尾板失效數量的增加。但此附加應力的大小以及影響因素和對魚尾板壽命的威脅程度由于沒有系統的資料，還無法得出進一步的結論。
此外，值得一提的是一些特殊用途或用于特殊部位的魚尾板，如異型魚尾板、岔趾處魚尾板或在隧道內使用的魚尾板，由于受力狀態更為復雜，養護更為困難，還往往受到一些腐蝕性空氣的作用，所以失效率往往高于普通魚尾板，而且對線路造成的危害也更大，應引起足夠的重視[2]  。
魚尾板失效的理論分析
一個構件的斷裂失效分為裂紋發生和裂紋擴展兩個過程，裂紋的發生與擴展決定著構件以何種形式在何時發生怎樣的失效，因此，可以把魚尾板的失效分為兩個部分討論，一是裂紋的起源，二是裂紋的擴展。
裂紋的起源
已經對魚尾板的裂紋起源作過一些初步的探討，認為其斷裂失效的物理本質是微動疲勞磨損，魚尾板與鋼軌接觸表面微小的輾壓、摩擦等相互作用是引起裂紋產生的主要原因。
微動理論是近年來頗為人們關注的理論，很多事故的發生都是由于微動作用引起的。航空界人士早就注意到經典的材料S-N曲線與構件在實際使用的結果并不相符，構件在使用時期的壽命往往達不到S-N曲線上相對應的循環次數，這是因為構件的接觸面之間存在著微動作用。國外早期進行的微動疲勞試驗發現微動作用表面有明顯損傷，致使疲勞強度下降，后來的研究證實了這個結果，并提出了微動疲勞強度計算的表達式，還指出了影響微動疲勞過程的主要因子為：摩擦系數、接觸壓力和滑移振幅。雖然在微動疲勞試驗中涉及許許多多的因子，有人舉出的因子多達50個，但這些因子均可劃分為“一次因子”和“二次因子”，二次因子只有通過一次因子才能對激動過程產生影響，即上述因子中只有3個因子“摩擦系數”、“接觸壓力”及“滑移振幅”才是影響微動過程的一次因子，其中最重要的是摩擦系數。
具體分析魚尾板與鋼軌這對摩擦付，其裂紋起源最直接的原因就是兩者接觸表面的相互作用，如接頭沖擊力、線路整體的振動、摩擦引起磨耗使擰緊力下降、螺栓松動等一切使魚尾板與鋼軌表面間產生相互作用的因素都是產生微動磨損的條件。宏觀上可以看到傷損魚尾板表面由鋼軌造成的表面擠壓變形與擦傷；斷口金相上可以觀察到變形與擦傷表面處已形成細微裂紋并向其縱深方向發展；上口起裂的魚尾板現象尤為明顯。另外，宏觀斷口裂紋起源區存在黑色氧化區也表明了其起裂時摩擦生熱并產生氧化的作用。
一切加劇魚尾板與鋼軌接觸表面間相互作用的因素都將促使魚尾板產生裂紋，魚尾板與鋼軌的表面狀態，包括宏觀與微觀狀態，魚尾板與鋼軌之間緊固力的大小、配合的幾何形狀，輪載與行車速度，接頭的基本狀況等都是影響魚尾板裂紋的因素。
裂紋的擴展
裂紋產生后，在一定的交變載荷作用下開始時是緩慢地擴展，此為裂紋緩慢擴展區，當裂紋擴展到一定深度，構件的剩余截面積不足以承受交變載荷的作用時，構件產生失穩斷裂形成速斷區，這2個區域一般都有明顯的特征。從對魚尾板的失效研究來看，影響其裂紋擴展的因素主要是載荷狀況和材質狀況，其中載荷狀況包括的內容較多，它不僅包括載荷本身的大小，同時包括不良的工況條件和一定的輪載車速、車型等給鋼軌接頭帶來的附加沖擊載荷和其它形式的外力作用。例如緊固螺栓沒有達到規定擰緊力，或由于魚尾板磨耗增加，使擰緊力下降，都將使接頭處附加沖擊力增大；輪載的增加，車速的增加，接頭的不平順也會使接頭應力增加。材質的狀況則表現得十分明顯，優良的材質可以保證裂紋緩慢擴展，深度可占整個構件的近5000，而不良材質，如晶粒度級別在1級左右的魚尾板當裂紋僅5-10mm深時即發生全斷面脆斷，造成的危害極大。
因此，材質狀況與魚尾板的綜合受力狀況是決定魚尾板裂紋擴展壽命的主要原因[3]  。
改進與提高
減少裂紋產生的機率
根據魚尾板裂紋發生與發展的機理和微動疲勞的理論，首先可以從影響裂紋產生的3個重要因子，即摩擦系數、滑移振幅及接觸壓力來考慮，以減少裂紋產生的機率。
(1)降低摩擦系數。這可以通過多方面的渠道來實現，例如進行表面處理，改善表面質量或在材料接觸表面加入某種形式的中介物等。
(2)減小滑移振幅。即是減小鋼軌與魚尾板間相對作用的幅度。可以通過鋼軌與魚尾板間緊固力的調整減小滑移振幅，也可以通過改善接頭狀況，減小沖擊作用來減小滑移振幅。據觀察，膠接魚尾板很少發生斷裂現象，這也表明了控制滑移振幅對魚尾板壽命的影響。
(3)減小接觸壓力。影響接觸壓力的因素比較多，減小接觸壓力將減小鋼軌與魚尾板間相互作用力的強度。工況條件、軸重、車速等都會對其有較大的影響，其中有些是在工作條件下必須承受的，如載荷、車速等，有些是可以通過改善工況條件加以調整的，如保持適當的軌縫、良好的接頭養護等。另外，鋼軌與魚尾板配合面的兒何形狀也將影響到接觸壓力的大小。
魚尾板達到正常使用壽命的基本保證
根據魚尾板裂紋產生與擴展的過程，也從我們失效魚尾板的粗略統計看，由于材質原因造成的早期失效占有相當大的比例，尤其是晶粒粗大或嚴重混晶造成的材質脆性增加的情況。另外，材料的表面脫碳間題也應該引起足夠的重視。因此，魚尾板生產中必須嚴格按生產工藝及規定的熱處理制度進行，同時把好質量檢驗關，以減少由于材質原因造成的早期失效。而且，從魚尾板復雜的使用條件來看，保證其生產質量也是最見成效的安全措施之一[3]  。
總結
對魚尾板的失效分析可以看到，引起魚尾板裂紋最重要的原因之一就是鋼軌與魚尾板之間的相互作用。因此如何將這種作用的不利影響降至最小，是一個尚待研究解決的問題。另外，近年來，有人在研究鋼軌螺栓孔裂紋的同時注意到了魚尾板對鋼板的作用，發現現用魚尾板上下斜面的支承形式，即楔型支承對鋼軌軌腰造成了豎向拉應力，此應力加劇了鋼軌螺栓孔裂紋的產生，因此建議使用美國、蘇聯等廣泛應用的鉸型支承結構。同時，只有把魚尾板與鋼軌作為一個不可分割的系統考慮，研究其間相互作用情況，才能保證整個線路有良好的接頭狀態，提高線路運行安全性[3]  。