由台鐵之斷軌事件 探討鋼料之斷裂行為

前言

日前媒體報導,由於寒流來襲,台鐵四腳亭至瑞芳間的東正線鋼軌,於1 月9日早晨發生斷軌事件。由於該鋼軌已使用18年,該處又位於彎道,且斷裂當時之氣溫為攝氏12℃,鋼軌斷裂之原因頗值探討。

鋼軌之材質

鐵路運輸所使用之鋼軌材料,必須耐磨又耐衝擊,所以其硬度與強度,均較結構用之鋼料為高,屬於高硬度、高強度之特殊鋼料,其製程須經過特殊之硬化處理。有關鋼軌之材質,依據日本工業標準,較新版之標準為JIS
E1120-2007。惟18年前所裝設之鋼軌,參考JIS
E1101-2001之標準,從表1之對照可以看出鋼軌之含碳量與抗拉強度,比高強度之結構鋼料確實高出許多,且鋼軌必須檢驗硬度,以符合耐磨之要求,而高強度之結構用鋼料則須檢驗吸收能量之衝擊值。復由於鋼軌之材質生性堅硬,所以拉斷時之伸長率遠不如結構用鋼。

表1 鋼軌與高強度結構鋼料之材質對照

標準

鋼軌

種類

C%

Si%

Mn%

P%

S%

Fu

(MPa)

伸長率%

硬度HB

JIS   E1101-2001

50N

0.63-0.75

0.15-0.30

0.70-1.1

≦0.03

≦0.025

≧800

≧10

≧235

37A

0.55-0.70

0.15-0.35

0.6-0.9

≦0.045

≦0.05

≧690

≧9

-

CNS   2947-1992

結構用鋼

SM490C

≦0.18

≦0.55

≦1.6

≦0.035

≦0.035

≧490

≧23

衝擊值≧47J

 

鋼料之斷裂

媒體報導本件鋼軌之斷裂,並非在鋼軌銲接處,故可能是氣溫太低所引起之熱脹冷縮現象所造成,其實鋼料之斷裂都是由最終拉力所造成,且拉力方向應與斷裂面呈垂直。按照鋼料之破壞(fracture)行為,其斷裂現象可分為延展破壞(ductile fracture) 與脆性破壞(brittle fracture)。圖1之試體1所呈現者為延展性破壞,而試體2則為脆性破壞,兩者之差異如下:

1. 延展破壞

延展性鋼料在斷裂前,會呈現廣泛的塑性變形,由圖2之應力應變圖所計算之陰影面積即為鋼料試體所能吸收之能量,或稱韌度(toughness)。由圖2不難看出延展性之鋼料其韌度遠大於脆性之鋼料。復由圖1之試體1得知延展性鋼料於斷裂前之頸縮(neck)現象很明顯,頸縮量愈大者伸長量也愈大,故鋼料之拉伸試驗都會記錄其伸長率,伸長率愈大者其延展性愈佳,反之則愈脆,如表1所示。

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圖1 延展斷裂與脆性斷裂

 

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圖2 鋼料受拉之應力應變圖

其實鋼料之延展破壞係來自剪力(shear)現象,其破壞之過程概述如下:

參見圖3,當試體上下兩端承受拉力時,先發生斷面縮小之頸縮現象,如圖(a)。內部因拉伸而逐漸產生微小孔隙如圖(b)。數點微小孔隙集合成為內部之橫向斷裂如圖(c)。如再持續受力,頸部之外圍會產生45o之最大剪力如圖(d)。最後導致全斷面之斷裂,成為「罩-錐」(cup and cone)之破壞斷面如圖(e)。延展性鋼料試體實際拉斷之狀況如照片1。

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圖3 延展性鋼料拉斷過程【1】

 

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照片1 延展性鋼料拉斷之試體

2. 脆性破壞

圖1試體2之脆性斷裂係來自劈裂(cleavage)現象。鋼料斷裂前之頸縮現象很小,幾乎無塑性變形,且能夠吸收之能量極其有限,參見圖2。一般鋼軌在產製過程都經過硬化處理,其拉斷之現象均屬於脆性破壞。即使是一般延展性之結構用鋼料,在低溫時鋼料之延展性也會降低,材質會變脆,所能吸收之能量也相對減少。

低溫時鋼料之脆化行為

為了解低溫對鋼料材質之影響,常採用V槽衝擊試驗法,試體之大小如圖4所示,試體斷面為10mm×10mm,V槽部之凈寬則為8mm。衝擊試驗機構如圖5所示,將製妥之試體放置於機器之下端,利用棒錘之自由落體重力將試體敲斷,由於棒錘之高度降低(H)而造成位能之損失,該能量係由試體所吸收,其大小可由度盤之刻畫計算之,能量之SI單位為焦耳(N-M)。照片2為常用之V槽衝擊試驗設備。

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圖4 V槽衝擊試體【1】

 

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圖5 V槽衝擊試驗機構【1】

 

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照片2 衝擊試驗機

鋼料在不同溫度下可試驗出不同之衝擊能量,圖6為取自美國鋼鐵公司文獻之中碳鋼試驗結果,該曲線稱為「延展與脆性漸變圖」(ductile to
brittle transition),簡稱DBT,橫坐標為試驗時之溫度,縱座標為衝擊能量,溫度愈低鋼料之衝擊能量愈少。DBT亦可由剪力與溫度之關係繪製如圖7,溫度愈低時鋼料愈脆,斷裂處之剪力愈小,「罩-錐」之延展現象會愈不明顯。

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圖6 溫度與鋼料衝擊能量關係【2】

 

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圖7 溫度與剪力關係【2】

根據金屬之破壞行為,各種不同材質之金屬會呈現不同之DBT圖,如圖8,其中上曲線為軟性金屬之曲線,如銅與鎳等;下曲線則為剛硬之高強度合金鋼料之曲線,兩者雖無明確之反曲點,但都隨著溫度的降低,材料之延展性也變差,比較容易脆斷。中間之曲線則為低碳結構用鋼之曲線,明顯呈現在不同溫度下由延展性變為脆性之反曲點。

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圖8 結構鋼與高強度鋼之DBT曲線【1】

結果

其實造成鋼軌斷裂之原因有很多,包括:車輛行駛時之撓曲應力、彎道行駛時法線方向離心質量之作用力、鋼軌銲接之殘留應力、氣候驟冷之軌道內應力及高頻率使用鋼軌之疲勞衰退等,如逐一審慎評估計算,不難找出鋼軌斷裂之真正原因,方可做適當之處置。

參考文獻

1.ENT 145 Materials Engineering,Chap.8 Failure,J.W.

2.Steel Design Manual,U.S.Steel Corp. May 1974.

3.鋼結構工程實務 (第四版),科技圖書公司,2012年3月。

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