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
JIS E1101-2001	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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