李秋蘭

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西　太原　030032)

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地鐵車輪踏面橫向裂紋微觀實(shí)驗(yàn)分析

李秋蘭

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西太原030032)

地鐵用CL60車輪在運(yùn)行接近7萬(wàn)公里入庫(kù)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面存在橫向裂紋3處，為了確定失效車輪踏面橫向裂紋性質(zhì)及產(chǎn)生原因，利用熱酸浸裝置、金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡等方法對(duì)CL60車輪踏面裂紋進(jìn)行了微觀實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，地鐵車輪踏面裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)樘っ娲嬖诔Ｖ苿?dòng)熱，容易在踏面表層形成較深的熱影響層，同時(shí)造成表面拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

車輪踏面；橫向裂紋；制動(dòng)熱；拉應(yīng)力

地鐵車輛具有運(yùn)行速度高、啟動(dòng)快、制動(dòng)距離短、啟動(dòng)制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，車輪作為地鐵車輛的重要承載部件，其服役可靠性與列車的安全運(yùn)行密切相關(guān)。地鐵車輛在低速時(shí)的主要制動(dòng)方式是踏面制動(dòng)[1-2]，車輪在正常運(yùn)行過(guò)程中與鋼軌形成一滾動(dòng)摩擦副，在制動(dòng)過(guò)程中與閘瓦形成一滑動(dòng)摩擦副，即車輪實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不僅受輪軌滾動(dòng)接觸載荷，而且在閘瓦頻繁制動(dòng)過(guò)程中承受制動(dòng)熱載荷作用[3-6]，其工作條件十分惡劣。因此，地鐵車輪運(yùn)用過(guò)程中常出現(xiàn)踏面裂紋等損傷，嚴(yán)重影響列車的舒適性、安全性，以及車輪的使用壽命。

1　試驗(yàn)分析

1.1宏觀形貌分析

損傷車輪如圖1所示。車輪踏面一周內(nèi)有4處共計(jì)6條裂紋，最短4mm，最長(zhǎng)30mm，已延伸至外側(cè)輪輞面上。裂紋分散分布在踏面近外側(cè)輪輞邊緣區(qū)域，同時(shí)此區(qū)可見橫向龜裂狀極小裂紋和表面劃痕，在踏面中間有擦傷坑存在，局部放大如圖2所示，這表明車輪服役過(guò)程中踏面存在有明顯的滾動(dòng)摩擦。

圖1　缺陷車輪宏觀形貌

圖2　車輪裂紋局部放大宏觀形貌

分別在裂紋處和無(wú)裂紋處取宏觀、微觀及化學(xué)、性能試樣進(jìn)一步試驗(yàn)分析，如圖3所示。做裂紋斷口試驗(yàn)，表面裂紋長(zhǎng)30mm，深達(dá)16mm，裂紋起源于踏面表面，以半圓扇形擴(kuò)展，有明顯的貝紋花樣，如圖4所示，屬典型的疲勞斷口形貌。化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗(yàn)，基體化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明，成分符合材質(zhì)要求。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定做室溫拉伸、室溫沖擊和布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果符合要求。做徑向截面熱酸浸蝕試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，相關(guān)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)片低倍組織致密，純凈度好，無(wú)嚴(yán)重偏析，無(wú)肉眼可見缺陷，如圖5所示。

圖3　車輪裂紋局部放大宏觀形貌

一般疏松中心疏松區(qū)域偏析非金屬夾雜缺陷0.5級(jí)1.0級(jí)0.5級(jí)0級(jí)無(wú)

圖5　宏觀結(jié)果

1.2顯微組織分析

進(jìn)行車輪踏面各部位鋼中純凈度、組織、晶粒度檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果如圖6及表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼中純凈度良好，晶粒均勻，組織狀態(tài)正常，符合要求。裂紋部位顯微組織分析，近表面區(qū)裂紋起始端較粗，中部、尾部裂紋都很細(xì)，且斷續(xù)、曲折，最深裂紋達(dá)16mm。裂紋旁無(wú)夾雜等分布。同時(shí)在表面發(fā)現(xiàn)有大量深淺不等的小裂紋。小裂紋起始于表面，垂直于表面或與表面呈一定角度。眾多小裂紋與宏觀的長(zhǎng)裂紋具有類似的形態(tài)，如圖7所示。

圖6　微觀組織

圖7　裂紋形態(tài)

部位非金屬夾雜物(級(jí))A類B類C類D類Ds類組織晶粒度(級(jí))踏面下1#0.50.50.50.50.5細(xì)珠光體+少量鐵素體8.0踏面下2#0.50.51.00.50.5細(xì)珠光體+少量鐵素體7.5踏面下3#0.50.50.50.51.0細(xì)珠光體+少量鐵素體7.5

圖8為浸蝕后組織形態(tài)，裂紋旁無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，表面下有一層明顯的組織變化層，表面層有白亮馬氏體層，深約5μm，其次是不同顏色和形態(tài)的層結(jié)構(gòu)，組織為馬氏體、屈氏體、細(xì)針珠光體等，組織變形層深度在各部位不同，淺處約0.5mm，深處約2.4mm，說(shuō)明此區(qū)域經(jīng)歷過(guò)嚴(yán)重的熱影響。同時(shí)在踏面下表面也發(fā)現(xiàn)有組織變化層及小裂紋，但組織變化層較淺。裂紋處表面顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果表明組織變化層硬度高于基體硬度，基體硬度HB282～294，而變形層硬度HB302～309，進(jìn)一步說(shuō)明表面組織已發(fā)生變化，性能指標(biāo)也已改變。掃描電鏡能譜分析分別在表面向內(nèi)區(qū)域和裂紋旁做微區(qū)能譜分析，結(jié)果表明，表面下20μm處C含量稍低，其他深度方向0.2，0.5，1，2，10mm以及裂紋旁C含量基本相同，符合CL60鋼成分要求。

(a)浸蝕后組織

(b)裂紋旁無(wú)氧化脫碳圖8　腐蝕狀態(tài)下裂紋形態(tài)

2　討論與分析

根據(jù)宏觀、微觀化學(xué)成分、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以確定，車輪化學(xué)成分強(qiáng)度、塑韌性、硬度指標(biāo)均符合要求。徑向截面低倍組織致密度，純凈度良好。車輪踏面下有許多的小裂紋，傾斜的較淺約0.1mm，垂直的較深約0.4mm，宏觀的表面裂紋垂直于表面，徑向深度可達(dá)16mm，裂紋旁無(wú)夾雜分布，無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，可排除夾雜聚集，鍛造操作不當(dāng)造成裂紋的可能性。經(jīng)浸蝕后的試面上可見表面有一層明顯的組織變化層，淺處約0.5mm，深處約2.4mm，組織變形層外表面有約5μm白色馬氏體，其他為多層結(jié)構(gòu)的組織變化層，經(jīng)掃描電鏡做微區(qū)能譜分析，組織變化層成分與基體成分相同，說(shuō)明組織變化層無(wú)成分變化。同時(shí)顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，表面變化層硬度高于基體，因此可以斷定，表面變化層為受熱的熱影響層。較深的受熱層、表面的白亮馬氏體層均說(shuō)明表面受熱程度很嚴(yán)重[7-9]，這種嚴(yán)重的熱影響將改變?cè)架囕啽砻鎵簯?yīng)力狀態(tài)為表面拉應(yīng)力狀態(tài)，直接降低車輪使用壽命。

車輪踏面圓周有4處6條橫向裂紋，最長(zhǎng)30mm，最深徑向16mm，裂紋起始于踏面表面，以半圓扇形擴(kuò)展，有明顯的貝紋狀花樣，系典型的熱疲勞裂紋形態(tài)。結(jié)合表面微觀熱影響層組織形態(tài)，可以確定此裂紋為制動(dòng)熱裂紋，產(chǎn)生的原因通常與車輪制動(dòng)工況條件和閘瓦材質(zhì)、形狀有關(guān)，如果與車輪配合的閘瓦系合成閘瓦或形狀或安裝配合不良，或制動(dòng)工況條件不良等，均可產(chǎn)生超常的熱應(yīng)力[10]。如果存在嚴(yán)重的制動(dòng)熱影響，將造成表面組織的變化，并改變表面狀態(tài)為拉應(yīng)力狀態(tài)，其結(jié)果將很容易造成表面熱裂紋產(chǎn)生。熱影響層嚴(yán)重處產(chǎn)生垂直于表面的較深的小裂紋，在隨后車輪運(yùn)行過(guò)程中，同樣的循環(huán)繼續(xù)，導(dǎo)致熱裂紋以疲勞形式向徑向深度方向擴(kuò)展，形成宏觀橫向長(zhǎng)裂紋，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或制動(dòng)影響嚴(yán)重，熱裂紋會(huì)導(dǎo)致車輪徑向裂損。

3　結(jié)束語(yǔ)

1)車輪踏面橫向裂紋為制動(dòng)熱裂紋，起源于踏面表面，徑向深度最深約16mm。

2)車輪踏面存在超常制動(dòng)熱，形成表面較深的熱影響層，同時(shí)造成表面拉應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

3)若不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致車輪徑向裂損，應(yīng)高度重視予以避免或預(yù)防。

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Microscopic Experiment Analysis on Transversal Cracks of Subway Wheel Tread

LI Qiulan

(TaiyuanHeavyIndustryRailTransportationEquipmentCo.，Ltd.，Taiyuan030032，China)

Threetransversalcrackswerefoundonthetreadofsubwaywheelwhenthemetrovehiclehadrunabout70 000kilometers.Forclarifyingthecharacteristicandformationcauseofthetransversalcracks，themicroscopicexperimentalanalysisonthewheeltreadcrackswascarriedoutbymeansofthehot-acidleachingdevice，metallurgicalmicroscopeandscanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsshowthatthereisexceptionalbreakingheatonthemetrowheeltreadwhicheasilyleadstoaheataffectedzoneonthetreadandtensilestressinthesurfacelayerwithacertaindepth.Thisreasonwillcausethethermalfatiguecracks.

wheeltread；transversalcrack；breakingheat；tensilestress

2016-05-17；修改日期:2016-06-13

李秋蘭(1963-)，女，本科，高級(jí)工程師，主要從事車輪材料開發(fā)方面的研究。

TH117.3

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.021