鱼尾板的裂纹的起源、扩展及控制

鱼尾板的失效原因及分析
鱼尾板裂纹的形成与鱼尾板和钢轨表面之间的相互作用密切相关。螺栓联接的鱼尾板与钢轨接头在实际工作状态下并非一个刚性的整体，车轮的冲击作用、轨缝的存在、尤其是由于钢轨与鱼尾板间的磨耗而造成的拧紧力的下降，将造成或加剧鱼尾板与钢轨间的相互辗压，导致表层变形，这种变形的积累为鱼尾板表面裂纹的萌生提供了极大的机会。因此，可以得出这样的结论:鱼尾板与钢轨之间相互作用的状况、鱼尾板实际承受的载荷与鱼尾板的材质决定鱼尾板伤损的位置、时间、方式与速率，其中相互作用状况主要影响着裂纹起源的位置与时间，载荷条件与材料状况则更多地决定着裂纹扩展的方式与速率。当裂纹从鱼尾板上口起裂时，由于受到的拉应力较小，因此起裂和扩展受材质影响更大些;当鱼尾板从下口起裂时，受到的拉应力较大，起裂与扩展受载荷影响更大些。
季节对鱼尾板的失效来说也是一个重要因素。从现场使用的情况来看，冬季鱼尾板折损较其它季节明显增多。通过对鱼尾板冷脆温度的测定可以看到，国内广泛应用的B7材质鱼尾板在-60℃至室温范围内其冲击值已在测定的下平台，因此可以认为材料的冷脆温度不是造成冬季鱼尾板大批断裂的主要原因。进一步的分析认为，冬季鱼尾板的断裂可能与冬季轨缝的变化有关，冬季轨缝的增加会加大鱼尾板尤其是第三、四螺栓孔中部的拉应力，此附加应力将造成鱼尾板失效数量的增加。但此附加应力的大小以及影响因素和对鱼尾板寿命的威胁程度由于没有系统的资料，还无法得出进一步的结论。
此外，值得一提的是一些特殊用途或用于特殊部位的鱼尾板，如异型鱼尾板、岔趾处鱼尾板或在隧道内使用的鱼尾板，由于受力状态更为复杂，养护更为困难，还往往受到一些腐蚀性空气的作用，所以失效率往往高于普通鱼尾板，而且对线路造成的危害也更大，应引起足够的重视[2]  。
鱼尾板失效的理论分析
一个构件的断裂失效分为裂纹发生和裂纹扩展两个过程，裂纹的发生与扩展决定着构件以何种形式在何时发生怎样的失效，因此，可以把鱼尾板的失效分为两个部分讨论，一是裂纹的起源，二是裂纹的扩展。
裂纹的起源
已经对鱼尾板的裂纹起源作过一些初步的探讨，认为其断裂失效的物理本质是微动疲劳磨损，鱼尾板与钢轨接触表面微小的辗压、摩擦等相互作用是引起裂纹产生的主要原因。
微动理论是近年来颇为人们关注的理论，很多事故的发生都是由于微动作用引起的。航空界人士早就注意到经典的材料S-N曲线与构件在实际使用的结果并不相符，构件在使用时期的寿命往往达不到S-N曲线上相对应的循环次数，这是因为构件的接触面之间存在着微动作用。国外早期进行的微动疲劳试验发现微动作用表面有明显损伤，致使疲劳强度下降，后来的研究证实了这个结果，并提出了微动疲劳强度计算的表达式，还指出了影响微动疲劳过程的主要因子为：摩擦系数、接触压力和滑移振幅。虽然在微动疲劳试验中涉及许许多多的因子，有人举出的因子多达50个，但这些因子均可划分为“一次因子”和“二次因子”，二次因子只有通过一次因子才能对激动过程产生影响，即上述因子中只有3个因子“摩擦系数”、“接触压力”及“滑移振幅”才是影响微动过程的一次因子，其中最重要的是摩擦系数。
具体分析鱼尾板与钢轨这对摩擦付，其裂纹起源最直接的原因就是两者接触表面的相互作用，如接头冲击力、线路整体的振动、摩擦引起磨耗使拧紧力下降、螺栓松动等一切使鱼尾板与钢轨表面间产生相互作用的因素都是产生微动磨损的条件。宏观上可以看到伤损鱼尾板表面由钢轨造成的表面挤压变形与擦伤；断口金相上可以观察到变形与擦伤表面处已形成细微裂纹并向其纵深方向发展；上口起裂的鱼尾板现象尤为明显。另外，宏观断口裂纹起源区存在黑色氧化区也表明了其起裂时摩擦生热并产生氧化的作用。
一切加剧鱼尾板与钢轨接触表面间相互作用的因素都将促使鱼尾板产生裂纹，鱼尾板与钢轨的表面状态，包括宏观与微观状态，鱼尾板与钢轨之间紧固力的大小、配合的几何形状，轮载与行车速度，接头的基本状况等都是影响鱼尾板裂纹的因素。
裂纹的扩展
裂纹产生后，在一定的交变载荷作用下开始时是缓慢地扩展，此为裂纹缓慢扩展区，当裂纹扩展到一定深度，构件的剩余截面积不足以承受交变载荷的作用时，构件产生失稳断裂形成速断区，这2个区域一般都有明显的特征。从对鱼尾板的失效研究来看，影响其裂纹扩展的因素主要是载荷状况和材质状况，其中载荷状况包括的内容较多，它不仅包括载荷本身的大小，同时包括不良的工况条件和一定的轮载车速、车型等给钢轨接头带来的附加冲击载荷和其它形式的外力作用。例如紧固螺栓没有达到规定拧紧力，或由于鱼尾板磨耗增加，使拧紧力下降，都将使接头处附加冲击力增大；轮载的增加，车速的增加，接头的不平顺也会使接头应力增加。材质的状况则表现得十分明显，优良的材质可以保证裂纹缓慢扩展，深度可占整个构件的近5000，而不良材质，如晶粒度级别在1级左右的鱼尾板当裂纹仅5-10mm深时即发生全断面脆断，造成的危害极大。
因此，材质状况与鱼尾板的综合受力状况是决定鱼尾板裂纹扩展寿命的主要原因[3]  。
改进与提高
减少裂纹产生的机率
根据鱼尾板裂纹发生与发展的机理和微动疲劳的理论，首先可以从影响裂纹产生的3个重要因子，即摩擦系数、滑移振幅及接触压力来考虑，以减少裂纹产生的机率。
(1)降低摩擦系数。这可以通过多方面的渠道来实现，例如进行表面处理，改善表面质量或在材料接触表面加入某种形式的中介物等。
(2)减小滑移振幅。即是减小钢轨与鱼尾板间相对作用的幅度。可以通过钢轨与鱼尾板间紧固力的调整减小滑移振幅，也可以通过改善接头状况，减小冲击作用来减小滑移振幅。据观察，胶接鱼尾板很少发生断裂现象，这也表明了控制滑移振幅对鱼尾板寿命的影响。
(3)减小接触压力。影响接触压力的因素比较多，减小接触压力将减小钢轨与鱼尾板间相互作用力的强度。工况条件、轴重、车速等都会对其有较大的影响，其中有些是在工作条件下必须承受的，如载荷、车速等，有些是可以通过改善工况条件加以调整的，如保持适当的轨缝、良好的接头养护等。另外，钢轨与鱼尾板配合面的儿何形状也将影响到接触压力的大小。
鱼尾板达到正常使用寿命的基本保证
根据鱼尾板裂纹产生与扩展的过程，也从我们失效鱼尾板的粗略统计看，由于材质原因造成的早期失效占有相当大的比例，尤其是晶粒粗大或严重混晶造成的材质脆性增加的情况。另外，材料的表面脱碳间题也应该引起足够的重视。因此，鱼尾板生产中必须严格按生产工艺及规定的热处理制度进行，同时把好质量检验关，以减少由于材质原因造成的早期失效。而且，从鱼尾板复杂的使用条件来看，保证其生产质量也是最见成效的安全措施之一[3]  。
总结
对鱼尾板的失效分析可以看到，引起鱼尾板裂纹最重要的原因之一就是钢轨与鱼尾板之间的相互作用。因此如何将这种作用的不利影响降至最小，是一个尚待研究解决的问题。另外，近年来，有人在研究钢轨螺栓孔裂纹的同时注意到了鱼尾板对钢板的作用，发现现用鱼尾板上下斜面的支承形式，即楔型支承对钢轨轨腰造成了竖向拉应力，此应力加剧了钢轨螺栓孔裂纹的产生，因此建议使用美国、苏联等广泛应用的铰型支承结构。同时，只有把鱼尾板与钢轨作为一个不可分割的系统考虑，研究其间相互作用情况，才能保证整个线路有良好的接头状态，提高线路运行安全性[3]  。