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        鐵路EA4T車(chē)軸疲勞開(kāi)裂失效機(jī)制及對(duì)策

        2022-01-10 06:38:40于文壇
        鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2021年6期
        關(guān)鍵詞:刀痕車(chē)軸貝氏體

        陳 剛,蒲 紅,叢 韜,張 艷,吳 毅,于文壇

        (1 寶武集團(tuán)馬鋼軌交材料科技有限公司,安徽馬鞍山 243021;2 馬鋼股份有限公司,安徽馬鞍山 243021;3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

        高鐵車(chē)軸是保障動(dòng)車(chē)組安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一,與車(chē)輪通過(guò)過(guò)盈配合組成輪對(duì),承受機(jī)車(chē)車(chē)輛的全部質(zhì)量。車(chē)軸在運(yùn)用中的受載狀態(tài)比較復(fù)雜,不僅承受簧上垂向力、制動(dòng)力和車(chē)輪的反作用力,而且承受來(lái)自線路的沖擊載荷和通過(guò)曲線時(shí)橫向作用于輪緣的導(dǎo)向力,機(jī)車(chē)車(chē)軸還承受牽引力以及驅(qū)動(dòng)裝置的反作用力,屬于承受疲勞的典型構(gòu)件[1-6],因此有必要對(duì)高鐵車(chē)軸進(jìn)行疲勞分析。

        車(chē)軸疲勞研究中,輪座位置的微動(dòng)疲勞、車(chē)軸表面殘余應(yīng)力和車(chē)軸車(chē)削工藝研究受到人們關(guān)注。楊廣雪等研究了車(chē)軸輪座部位的微動(dòng)疲勞,通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真研究軸套間過(guò)盈量對(duì)微動(dòng)疲勞的影響,過(guò)盈量不同導(dǎo)致接觸邊緣的應(yīng)力集中不同,摩擦系數(shù)和套管長(zhǎng)度對(duì)接觸壓力的影響主要體現(xiàn)在接觸邊緣的應(yīng)力集中接觸界面上的摩擦剪切力及其極限值,均隨著過(guò)盈量、套管外徑或摩擦系數(shù)的增加而增加[7-8]。對(duì)于S38C車(chē)軸,表面淬火后存在殘余應(yīng)力,李益華等研究了殘余應(yīng)力對(duì)車(chē)軸疲勞性能的影響,包括熱鍛過(guò)程和熱處理過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,通過(guò)調(diào)控工藝,使殘余應(yīng)力提高車(chē)軸疲勞性能[9-11]。此外,于鑫等研究了車(chē)削表面完整性對(duì)車(chē)軸疲勞性能的影響[12-14]。

        文中采取失效分析的方法,對(duì)車(chē)軸軸身整體疲勞試驗(yàn)發(fā)生疲勞失效的EA4T車(chē)軸,展開(kāi)了裂紋斷口、裂紋萌生位置的微結(jié)構(gòu)特征等分析,初步探討了生產(chǎn)制造過(guò)程中導(dǎo)致車(chē)軸疲勞開(kāi)裂的失效機(jī)制,并提出了改進(jìn)對(duì)策,為生產(chǎn)制造工藝優(yōu)化提供支撐。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 車(chē)軸疲勞試驗(yàn)

        車(chē)軸疲勞試驗(yàn)在通過(guò)CNAS、CMA認(rèn)證的全尺寸輪軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。載荷控制精度高,運(yùn)行時(shí)載荷示值誤差值小于0.5%,且具備早期裂紋自動(dòng)識(shí)別功能,能夠按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13260《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—輪對(duì)產(chǎn)品要求》、EN 13261《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—車(chē)軸產(chǎn)品要求》或者其他試驗(yàn)方法進(jìn)行車(chē)軸的實(shí)物疲勞試驗(yàn)。

        車(chē)軸疲勞試驗(yàn)基本步驟如下:

        (1)試驗(yàn)前將車(chē)軸考核部位的最大應(yīng)力幅作為控制參數(shù),對(duì)車(chē)軸應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定,以確定試驗(yàn)所需施加的載荷。

        (2)將車(chē)軸與工裝輪過(guò)盈配合組裝后的試驗(yàn)試樣固定在設(shè)備連接板上后,由電機(jī)帶動(dòng)不平衡質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而在試驗(yàn)試樣上產(chǎn)生循環(huán)交變應(yīng)力。

        (3)試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)頻率的變化實(shí)時(shí)監(jiān)控試樣是否出現(xiàn)裂紋。

        (4)試驗(yàn)結(jié)束后,用磁粉探傷方法進(jìn)一步檢測(cè)是否出現(xiàn)裂紋。

        1.2 試驗(yàn)對(duì)象

        試驗(yàn)車(chē)軸為3根EA4T車(chē)軸軸身,按歐標(biāo)EN 13261《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—車(chē)軸產(chǎn)品要求》要求,采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)方法完成了車(chē)軸實(shí)物疲勞試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定EA4T整體實(shí)心車(chē)軸,疲勞極限值應(yīng)≥240 N/mm2,經(jīng)107次循環(huán)加載后應(yīng)沒(méi)有裂紋。

        3根車(chē)軸在進(jìn)行實(shí)物疲勞試驗(yàn)時(shí),其中1根車(chē)軸循環(huán)加載到1.55×106次時(shí)發(fā)生失效(試驗(yàn)應(yīng)力為145 MPa,頻率為24.86 Hz),車(chē)軸軸身與輪座的圓弧過(guò)渡區(qū)存在2條周向裂紋。按照EN 13261—2011標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)失效車(chē)軸的常規(guī)化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能進(jìn)行了檢驗(yàn)分析,見(jiàn)表1、表2,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。失效車(chē)軸金相試樣顯微組織形貌如圖1所示,表層組織為貝氏體+回火索氏體,1/2半徑處組織為貝氏體+回火索氏體+鐵素體,中心處組織為貝氏體+回火索氏體+鐵素體。

        表1 失效車(chē)軸的化學(xué)成分 單位:wt%

        表2 失效車(chē)軸的力學(xué)性能

        圖1 車(chē)軸顯微組織形貌

        2 車(chē)軸疲勞失效分析

        2.1 車(chē)軸斷口分析

        失效車(chē)軸在距輪座8.5 mm左右存在2條周向裂紋,該2條裂紋處在輪座與軸身圓弧過(guò)渡區(qū)的相對(duì)稱(chēng)位置,基本處于同一圓周,宏觀形貌如圖2所示。在車(chē)軸的周向裂紋處截取一段80 mm軸塊,裂紋包含在軸塊中間位置,將切下的軸塊進(jìn)行超聲波探傷,裂紋1向內(nèi)擴(kuò)展深約50 mm,周向長(zhǎng)約200 mm;裂紋2向內(nèi)擴(kuò)展深約22 mm,周向長(zhǎng)約130 mm,裂紋向內(nèi)擴(kuò)展情況如圖3所示,從周向長(zhǎng)度初步判斷裂紋1的產(chǎn)生應(yīng)早于裂紋2。采用人工法將裂紋打開(kāi),裂紋1和裂紋2斷口宏觀形貌如圖4所示,屬于典型的多源疲勞斷裂,裂紋起源于輪座與軸身交界的R角處表面。

        圖2 車(chē)軸周向裂紋宏觀形貌

        圖3 周向裂紋向內(nèi)擴(kuò)展情況

        圖4 斷口宏觀形貌

        斷口1處宏、微觀形貌和斷口附近車(chē)軸表面加工質(zhì)量如圖5所示。在斷口1處取樣進(jìn)行SEM斷口分析,發(fā)現(xiàn)斷裂起源于車(chē)軸表面,疲勞源處斷口宏、微觀形貌如圖5(a)、圖5(b)所示。疲勞快速擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞輝紋,微觀形貌見(jiàn)圖5(c),斷口面附近車(chē)軸R角處表面可見(jiàn)加工刀痕,斷口面與加工刀痕方向基本平行一致,斷口面附近1 mm范圍內(nèi)車(chē)軸表面還可見(jiàn)與刀痕一致的微裂紋,如圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)所示。斷口2的情況基本同斷口1,在斷口面附近0.6 mm范圍內(nèi)車(chē)軸表面可見(jiàn)與刀痕一致的微裂紋。

        圖5 斷口1處宏、微觀形貌和斷口附近車(chē)軸表面加工質(zhì)量

        表3 失效車(chē)軸的高倍夾雜級(jí)別

        將斷口1和斷口2在斷裂源處切開(kāi),磨斷口面的側(cè)面進(jìn)行了缺陷金相觀察,斷裂起源處未見(jiàn)非金屬夾雜,斷裂起源處顯微組織為貝氏體+回火索氏體,斷裂源區(qū)微觀形貌和顯微組織如圖6所示。

        圖6 斷裂源區(qū)的微觀形貌和顯微組織

        2.2 產(chǎn)生原因淺析和改進(jìn)方法

        通過(guò)對(duì)車(chē)軸周向裂紋的宏觀觀察和SEM觀察分析,如圖5所示,輪座與軸身之間圓弧過(guò)渡區(qū)2條周向裂紋的斷口均屬于典型的多源疲勞斷裂,裂紋均起源于軸表面,軸表面圓弧過(guò)渡區(qū)可見(jiàn)加工刀痕,裂紋萌生以及周向擴(kuò)展方向與軸表面的加工刀痕方向有一致性。輪座與軸身交界處的圓弧過(guò)渡區(qū),在車(chē)軸進(jìn)行整體疲勞試驗(yàn)過(guò)程中是一個(gè)高應(yīng)力區(qū)。由于該車(chē)軸在輪座與軸身的圓弧過(guò)渡區(qū)加工質(zhì)量不良,在交變應(yīng)力的作用下,裂紋會(huì)在較深刀痕處萌生,并向內(nèi)擴(kuò)展。

        此外,EA4T為歐標(biāo)牌號(hào)的低碳合金鋼材,主要用于地鐵車(chē)軸和高速動(dòng)車(chē)組車(chē)軸,需要通過(guò)調(diào)質(zhì)處理來(lái)改善車(chē)軸的組織—性能匹配,所以標(biāo)準(zhǔn)EN 13261—2011規(guī)定,車(chē)軸1/2半徑處顯微組織應(yīng)為貝氏體/回火索氏體組織。而從圖2和圖6可見(jiàn),雖然該車(chē)軸表層顯微組織為貝氏體+回火索氏體組織,但貝氏體含量明顯偏多,且1/2半徑處為貝氏體+回火索氏體+鐵素體組織,存在一定的鐵素體組織,表2所示抗拉強(qiáng)度也處于標(biāo)準(zhǔn)要求的中間偏下水平,可見(jiàn)車(chē)軸調(diào)質(zhì)處理效果不太理想,也會(huì)加劇疲勞裂紋的向內(nèi)擴(kuò)展。

        可見(jiàn),該件車(chē)軸發(fā)生整體疲勞失效的原因,初步判斷應(yīng)與輪座和軸身交界處的圓弧過(guò)渡區(qū)加工質(zhì)量不良和車(chē)軸調(diào)質(zhì)處理效果不太理想有關(guān)。

        應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)軸在輪座與軸身圓弧過(guò)渡區(qū)的加工工藝,消除較深加工刀痕。在不能采用磨削的情況下,車(chē)削時(shí)需要注意刀具及切削參數(shù)的選擇,車(chē)削刀片選擇相對(duì)較大的刀尖圓角,主要切削參數(shù)—線速度300 mm/min左右,高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量,達(dá)到較好的表面質(zhì)量。

        此外,應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)軸熱處理工藝,獲得良好的組織狀態(tài)。車(chē)軸有效尺寸較大,為改善車(chē)軸的組織—性能匹配,以獲得更優(yōu)的顯微組織分布,可采用冷卻強(qiáng)度較高的水基淬火介質(zhì),并在淬火過(guò)程中通過(guò)淬火液的攪拌和車(chē)軸的上下竄動(dòng)相結(jié)合等措施,進(jìn)一步提高淬火冷卻能力,但要防止冷速過(guò)高導(dǎo)致車(chē)軸過(guò)大的彎曲變形尤其是淬火開(kāi)裂的危險(xiǎn)。

        3 結(jié)論

        初步判斷,車(chē)軸發(fā)生整體疲勞失效的原因,應(yīng)與輪座和軸身交界處的圓弧過(guò)渡區(qū)加工質(zhì)量不夠理想和車(chē)軸熱處理效果不佳有關(guān)。

        建議應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)軸輪座與軸身圓弧過(guò)渡區(qū)的加工工藝,消除較深加工刀痕,同時(shí)優(yōu)化車(chē)軸熱處理工藝,獲得更理想的組織—性能匹配。

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