60Si2MnA铁轨铺设用弹条疲劳试验断裂分析

60Si2MnA铁轨铺设用弹条疲劳试验断裂分析
郭和平;李玉生;李彪
【摘要】某60Si2MnA铁轨铺设用弹条疲劳试验寿命未达到规定值,通过对断裂弹条进行断口宏观和微观形貌观察、显微组织检查、硬度测试和化学成分分析,找出了弹条的断裂性质和早期断裂原因.结果表明:该弹条为弯曲-扭转疲劳断裂;弹条早期断裂的主要原因是其原材料碳含量偏低,导致热处理后材料硬度偏低,降低了弹条的疲劳性能;弹条表层脱碳形成了网状铁素体,导致弹条易在该处形成疲劳裂纹源,是弹条疲劳寿命未达到规定值的另一个主要原因.%Fatigue life of a batch of
60Si2MnA steel spring rods didn't reach the required value.The failure spring rods were analyzed by means of macro and micro observation of fracture surface, metallographic examination,hardness testing and chemical compositions analysis.The results show that the failure mode of the spring rods was fatigue fracture resulting from the co-effect of bending and twisting.The main reason for the early fracture of the spring rods was carbon content of their raw material was lower than the standard required value to 60Si2MnA steel,which resulted in the hardness of the spring rods was lower than the technical requirement after heat treatment and reduced the fatigue properties of the spring rods heavily.Another reason for the shorter fatigue life was that there was net-shape ferrite structure at the local surface of the spring rods because of decarburization, which made fatigue cracking source generate easily.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2011(047)002
【总页数】5页(P107-110,129)
【关键词】弹条;疲劳寿命;断裂分析;碳含量;脱碳
【作者】郭和平;李玉生;李彪
【作者单位】新乡航空工业(集团)有限公司,新乡,453049;新乡航空工业(集团)有限公司,新乡,453049;新乡航空工业(集团)有限公司,新乡,453049
【正文语种】中文
【中图分类】U213.5+31
Abstract:Fatigue life of a batch of 60Si2M nA steel sp ring rods didn’t reach the required value.The failure sp ring rods were analyzed by meansofmacro and micro observation of fracture surface,metallographic examination,hardness testing and chemical compositions analysis.The results show that the failuremode of the sp ring rods was fatigue fracture resulting from the co-effect of bending and tw isting.The main reason fo r the early fracture of the sp ring rodswas carbon content of their raw materialwas lower than the standard required value to 60Si2M nA steel,w hich resulted in the hardness of the sp ring rods was lower than the technical requirement after heat treatment and reduced the fatigue p ropertiesof the sp ring rods heavily.Another reason for the shorter fatigue life was that there was net-shape ferrite structure at the local surface of the sp ring rods because of decarburization,w hich made fatigue cracking
source generate easily.
Keywords:sp ring rod;fatigue life;fracture analysis;carbon
conten;decarburization
在全国铁路运营里程不断增加的同时,重载化和高速化也是铁路运输的发展趋势,因
此铁路系统除对机车及其部件的要求越来越高外,对铁轨的技术性能和可靠性也提
出了越来越高的要求。

弹条扣件是铁轨铺设的重要部件,主要是利用其弹性变形时
所储存的能量来缓解机械上的震动和冲击作用,是在动载荷下承受长期性和周期性
的弯曲及扭转等交变应力[1]下工作的。

某用于铁轨铺设的弹条材料为60Si2M nA弹簧钢 ,规格为 W1型(φ14 mm ×524 mm)磨光料,弹条加工工艺流程为:原材料检验→下料→中频感应加热(970～1 040℃加热18～25 s)→热成型→油淬火→半成品检验→回火(480℃保温2 h)→水冷→防锈处理→成品检验→包装。

弹条硬度技术要求为43～47 HRC;显微组织要求按
TB/T 2478-2002[2]评定,马氏体为1～4级合格,残余铁素体为1～2级合格,贝氏体为1级合格。

在PT-15型弹条疲劳试验机上进行疲劳试验,将弹条放在特制的胎具上,对其两侧肢前端施加向下的位移,直至位移量达到9.00 mm,以此时的位置为基准继续施加动态位移+0.50～-0.90 mm,加载频率为14～16 Hz,要求荷载循环次数不小于500万次,不得出现折断,且残余变形不大于1 mm[2],但所试验铁轨铺设用弹条在此条件下仅荷载循环100万次左右即出现折断。

为查明该弹条早期断裂的原因,笔者对其进
行了失效分析。

1.1 宏观分析
弹条断裂位置见图1,可见弹条断口与弹条轴线基本呈45°角。

弹条断口呈明显的疲劳断裂特征,可分为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三个部分,疲劳源区位于弹条表面,呈扇形形状,疲劳扩展区放射棱线明显,瞬断区域的断口表面与疲劳扩展区断口表
面基本呈45°角,见图2。

从整个断口形貌可以看出,约70%的断口面积为疲劳扩展区,在该区域中间部位存在一条清晰的贝壳状条带,贝壳状条带的凹面指向和疲劳源区并不重合,凸面则指向裂纹扩展方向,同时在疲劳扩展区域伴有较多放射状棱线,见图3。

断裂弹条表面有黑色氧化皮,去除表面氧化皮后弹条表面较光滑,见图4。

1.2 断口分析
采用扫描电镜对弹条断口微观形貌进行观察。

断口疲劳源区的高倍形貌见图5,可见疲劳裂纹起始于弹条表面,源区内有形似浅韧窝的环状条纹,局部区域白色环状条纹密集。

疲劳扩展区域的高倍形貌见图6,可见疲劳辉纹不明显,在疲劳扩展区内可见回火屈氏体形态(保留马氏体位相的针状铁素体)。

瞬断区的高倍形貌见图7,可见典型的韧窝断裂特征。

1.3 金相检验
在弹条断裂部位附近取横截面金相试样,经镶嵌、砂纸磨光和机械抛光,再用4%(质量分数)苦味酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜下进行显微组织观察。

弹条表面有一薄层氧化皮,在靠近裂纹源区域氧化皮下面的显微组织为网状铁素体+回火屈氏体+回火索氏体,网状铁素体的深度约60μm,见图8;而远离疲劳源区的某些区域氧化皮下面的显微组织为回火屈氏体+回火索氏体,未见有网状铁素体存在,见图9;弹条基体组织为回火屈氏体+回火索氏体,见图10。

说明弹条表面在疲劳源区位置发生了脱碳现象。

弹簧钢表面出现脱碳会明显降低弹簧的疲劳强度[3],特别是表面出现铁素体全脱碳层时,可使弹簧的疲劳强度降低约50%[4]。

1.4 硬度检测
在弹条断口附近取样,磨制、抛光后在HR150A型洛氏硬度计上对弹条心部进行洛氏硬度测试;在HXS-1000Z显微硬度计上对弹条表面脱碳层区域、表面正常区域
以及心部进行显微硬度测试。

由表1可见,弹条基体硬度低于技术要求的43～47 HRC;弹条表面硬度更远远低于技术要求,尤其是表面脱碳层区域。

1.5 化学成分分析
在断裂弹条上取样用QSN 750型直读光谱仪进行化学成分分析。

由表2可见,弹条的碳含量低于 GB/T 1222-2007对60Si2M nA弹簧钢成分的技术要求。

由于弹条的碳含量低于技术要求,因此当其按60Si2M nA钢制定的热处理工艺处理后,其硬度就会偏低。

弹条在疲劳试验过程中承受弯矩和扭矩等复杂载荷作用,从弹条断口形貌特征可知,该弹条的断裂性质为单向弯曲-扭转疲劳断裂。

弹条是在单向交变弯曲载荷和扭转载荷共同作用下工作的,弹条表面的应力最大,疲劳核心易在表面循环应力最大处或在材料薄弱处(缺陷处)形成。

由弹条断口宏观和微观形貌可知,弹条表面的扇形小台阶是疲劳核心;由金相检验结果可知,疲劳源处弹条表面出现脱碳形成网状铁素体。

由此可以推断,在最大循环应力作用下,弹条表面有网状铁素体的区域首先发生开裂形成疲劳核心,然后在循环应力作用下,疲劳裂纹不断扩展并最终导致弹条断裂失效。

零件疲劳寿命与裂纹源形成的时间和裂纹扩展的速率有关,裂纹源形成的时间越短,疲劳裂纹扩展的速率越快,其疲劳寿命就越短[5]。

根据以上理化检验结果可以得出,该弹条早期疲劳断裂与以下两方面因素有关。

(1)硬度不合格。

弹条经淬火和中温回火后的显微组织应为回火屈氏体组织,这种组织具有良好的弹性极限、高的屈强比和一定的韧性,具有高的抗弯曲-扭转疲劳性能[6]。

文献[7]研究发现,60Si2M n弹簧钢回火硬度与疲劳寿命之间存在着如图11所示的对应曲线关系,可见回火硬度在45～46 HRC时材料的疲劳寿命最高[7]。

断裂弹条淬火和中温回火后的硬度技术要求应达到43～47 HRC,但是由于断裂弹条原材料的碳含量低于GB/T 1222-2007技术要求,导致按60Si2M nA钢热处理工
艺热处理后的弹条硬度偏低,只有39.2～41.5 HRC。

因而弹条的疲劳性能大为降低,加速了疲劳裂纹的扩展速率,降低了弹条的疲劳寿命。

(2)存在组织缺陷。

当弹条材料局部区域存在缺陷时,会使缺陷处的强度大幅度降低,因而此处容易成为裂纹的起源位置[8]。

弹条表面存在网状铁素体的区域其硬度明显偏低,因而该处的表面抗弯曲疲劳和抗扭转疲劳性能大幅度降低,极易成为裂纹源,降低弹条的疲劳寿命。

综上所述,该弹条是在弯矩和扭矩的共同作用下,在表面脱碳形成网状铁素体的区域萌生主裂纹源后,在复杂载荷交变作用下裂纹不断扩展,当裂纹整体尺寸超过临界尺寸时,疲劳裂纹进入失稳扩展阶段,弹条就会发生瞬间断裂。

弹条试验疲劳寿命不合格的主要原因是其原材料碳含量偏低,使按照60Si2M nA钢热处理工艺热处理后材料的硬度偏低;而弹条表面存在脱碳形成网状铁素体,是导致弹条提前疲劳断裂的又一原因。

60Si2M nA铁轨铺设用弹条的断裂性质为单向弯曲-扭转疲劳断裂;弹条化学成分不合格、碳含量偏低导致热处理后材料硬度偏低,加速了疲劳裂纹的扩展,这是造成弹条疲劳寿命试验不合格的主要原因;弹条表面局部区域存在脱碳形成网状铁素体,使该处容易萌生疲劳源,是弹条疲劳寿命试验不合格的另一个原因。

【相关文献】
[1] 胡晓辉.60Si2M n弹条断裂失效分析[J].理化检验-物理分册,2001,37(11):498-499.
[2] TB/T 2329-2002 弹条Ⅰ型扣件弹条疲劳试验方法[S].
[3] 潘红涛.60Si2CrA热轧弹簧断裂失效分析[J].理化检验-物理分册,2006,42(12):637-638.
[4] 蔡海燕,张志铧,张弛.60Si2M n弹簧钢表面脱碳的研究[J].金属制品,2005,31(3):35-37.
[5] 崔约贤,王长利.金属断口分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版,1998:79-80.
[6] 合金钢编写组.合金钢[M].北京:机械工业出版社,1978:91.
[7] 杜显彬,戈文英,周平,等.60Si2M n弹簧扁钢疲劳试验断裂分析[J].理化检验-物理分
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[8] 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004:154.。