机车车轴断裂失效分析_徐罗平

0 简介
2004 年 4 月初 ,某铁路局机车第六位轮对车轴 发生断裂 。断裂位置在轴身中部 。该机车新造出厂 服役才 6 个月 ,车轴断裂时的总走行里程约 81 000 km 。
车轴材料为 J Z45 号优质碳素钢 ,加工工艺流程 为 :冶炼 →铸 、轧 →锻造 →正火热处理 →超探 (力学 性能检查) →粗加工 →质量检查 →精加工 →外观检 查 →磁粉探伤检查 。技术要求按铁标 TB/ T1027 91“机车车轴技术条件”、国标 GB5068 - 1999“铁路 机车车辆车轴用钢”检验 ,验收 。
断口附近车轴表面和 1/ 2 R 处材料的拉伸试验 焊补区的母材热影响区 、熔合区 、焊缝区的金相组织
和冲击试验 (均沿轴向) 、布氏硬度试验结果均能满 见图 5 。图 1 所示次疲劳源 2 正好处于焊补熔合线
足 TB/ T1027 - 91“机车车辆技术条件”中的有关规 定。
区域 。根据焊缝宽度推测 ,主疲劳源 1 、次疲劳源 3 大致为沿轴向另一侧的焊补熔合线区域 。
试验检测 机车车辆工艺 第 3 期 2005 年 6 月
结果见表 1 ,满足 TB/ T1027 - 91“机车车辆技术条 件”规定 。
表 1 断裂机车轴材料的化学成分
%
w (C)
w (Si)
w (Mn)
w ( P)
w (S)
w (Cr)
1. 4 低倍组织检查 断口附近取横向 、纵向试样 ,按 GB226 - 91“钢
的低 倍 组 织 及 缺 陷 酸 蚀 检 验 法”检 验 , 并 按 GB/
T1979 - 2001“结构钢低倍组织缺陷评级图”评定 。
低倍检验结果满足 GB5068 - 1999“铁路机车车辆车
轴用钢”规定 。
2 金相检验
w (Ni)
w (Cu)
w (Al)
表面处 1/ 2 R 处 TB/ T1027 - 91
0. 45 0. 40 0. 40～0. 48
0. 27 0. 27 0. 15～0. 35
0. 82 0. 79 0. 55～0. 85
0. பைடு நூலகம்11 0. 011 ≤0. 040
0. 003 0. 003 ≤0. 045
3 分析结论
图 5 ×50 焊补熔合线附近组织
身上 ,在宽度 15 mm 左右 ,深度约 4 mm 的表面环形 层内 ,在车轴热处理后 ,采用了非正常的补焊工艺 。 正是在该焊补区萌生疲劳源 ,造成车轴在短期运行 后 ,发生早期疲劳断裂 。
(1) 车轴断裂性质属低应力弯曲疲劳断裂 ,即
冷切 。
(2) 车轴的化学成分 、力学性能 、晶粒度 、夹杂
0. 13 0. 13 ≤0. 30
0. 05 0. 06 ≤0. 30
0. 12 0. 12 ≤0. 25
0. 05 0. 05 ———
注 : GB5068 - 1999“铁路机车车车辆车轴用钢”规定 :钢中酸溶铝含量应不小于 0. 015 %
1. 3 力学性能试验
(Mo) < 0. 01 % ; w (Al) = 0. 007 % ; w (Sn) = 0. 012 % ,
图 4 ×100 车轴心部组织
根据焊缝区过热粗大柱状晶推测 ,断口部位轴
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机车车轴断裂失效分析
mm 的表面环形层内 ,采用了非正常的补焊工艺 ,这
是造成车轴短期运行后发生早期疲劳断裂的主要原
因。
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(编辑 :高心海)
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2. 1 车轴表面 、1/ 2 R 处 ,心部纵向样金相检验 将冲击试样制作成金相检验的试样 ,对车轴材
质作金相检查 。检查表明 ,车轴表面 、1/ 2 R 处及中 心部夹杂物级别均为 A1D1 (按 GB10561 - 89“钢中 非金属夹杂物显微评定方法”评定 ,下同) ;车轴表面 区金相组织为铁素体 ,晶粒度为 8 级 (按 GB6394 2002“金属平均晶粒度测定方法”评定 ,下同) ,金相 组织为铁素体和珠光体呈均匀分布 ,为正常的 45 # 钢正火组织 ,见图 2 ;1/ 2 R 处铁素体晶粒度为 8 级 , 金相组织为铁素体和珠光体呈带状分布 ,带状组织 级别为 3 级 (按 GB/ T13299 - 91“钢的显微组织评定 方法”评定 ,下同) ,见图 3 ;取自车轴心部的试样金 相检验结果说明 ,铁素体晶粒度为 8 级 ,铁素体和珠 光体呈严重带状分布 ,带状组织为 5 级 ,见图 4 。带 状组织为非均匀组织 ,对抗疲劳扩展不利 。 2. 2 断口样金相检验 。
断口宏观分析结果说明 ,车轴断裂是以轴身表 面 3 处疲劳源为源的低应力旋转弯曲疲劳断裂 ,无 疑属冷切轴 。
图 1 断裂机车轴的实物断面全貌 (正面拍摄 ,图中编号 1 、2 、3 为 疲劳源)
1. 2 化学成分复验 断口附近车轴表面和 1/ 2 R 处的化学成分分析
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物等理化数据均符合铁标 TB/ T1027 - 91“机车车轴
技术条件”的要求 。
(3) 车轴中心区域存在严重的带状组织 (达 5
级) ,对车轴抗疲劳扩展有不利影响 ,这种组织非均
匀性反映出车轴冶金质量上的不足 (带状组织在
TB/ T1027 - 91 中未作规定 ,建议作适当补充规定) 。
(4) 在车轴轴身中部 ,宽度约 15 mm ,深度约 4
在周期性应力作用下 ,这 3 处表面区疲劳源各 自不断扩展 ,并最后发生瞬时断裂 ,形成了图 1 中箭 号所指的三个台阶 。疲劳区 A 、C 基本处于同一平 面内 ,疲劳区 B 与 A 、C 沿轴向的高度差约 10 mm。 最后瞬断区面积很小 ,约占整个断面面积的 10 % , 说明所受载荷并不大 。断口面为大致垂直于轴向的 平断口 ,说明断裂车轴承受的载荷以旋转弯曲载荷 为主 (扭转载荷为主的断口面为与轴向大体成 45°的 斜断口) 。
试验检测
文章编号 :100726034 (2005) 0320019203
机车车轴断裂失效分析
徐罗平
(中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所 ,江苏 常州 213011)
摘 要 :应用理化检测手段 ,对早期断裂失效的机车车轴进行了较为全面的金相分析 、化学成分 、 力学性能检验 、断口分析 ,结果表明 :车轴断裂性质属低应力弯曲疲劳断裂 ,即冷切 ;在车轴轴身中 部 ,宽度约 15 mm ,深度约 4 mm 的表面环形层内 ,采用了非正常的补焊工艺 ,是造成车轴短期运行 后发生早期疲劳断裂的主要原因 ;车轴中心区域存在严重的带状组织 ,对车轴抗疲劳扩展有不利 影响 ,这种组织非均匀性同时反映出车轴冶金质量上的不足 。 关键词 :车轴 ;断裂 ;疲劳 ;金相分析 中图分类号 :U260. 331 + . 1 文献标识码 :B
(Mn) = 1. 17 % ; w (S) = 0. 011 % ; w ( P) = 0. 015 % ; w
(Cu) = 0. 08 % ; w (Ni) = 0. 01 % ; w ( Cr) < 0. 05 % ; w
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图 2 ×100 车轴表面区组织
图 3 ×100 车轴 1/ 2R 处组织
1 检验分析
1. 1 断口的宏观检查及分析 断裂处位于轴身中部 ,断裂车轴的断口全貌见
图 1 。断面周边仍保持圆形 ,断口基本与轴向垂直 。 断面及其附近无严重宏观塑性变形 ,无缩颈 、拉长 、 拧成锥形麻花状等热切特征 。断面上沿周边有一宽 度约为 50 mm 的挤擦区 ,其原始断裂特征已全部消 失 。断面中心有直径约为 100 mm 的圆形区域 ,可以 清晰看到海滩状贝纹线 。据此可以确定 ,该轴的断 裂性质为疲劳断裂 。根据疲劳贝纹线的疏密程度可 以确定疲劳裂纹的扩展方向 ,并可初步确定疲劳源 位于轴身中部的表面 。图 1 中编号 1 、2 、3 三处即为
直接在断面上取金相检验样 ,取样位置见图 1 , 同样检查纵截面 。检查发现 2 # 、4 # 、5 # 样上沿车 轴表面有一宽度 (沿轴向长度) 约为 15 mm ,深度 (沿 车轴径向) 约为 4 mm 的焊补层 。焊缝区化学成分 光谱分析结果 : w (c) = 0. 16 % ; w ( Si) = 0. 45 % ; w
收稿日期 :2005 - 01 - 10 作者简介 :徐罗平 (1963 - ) ,男 ,江苏张家港人 ,高级工程师 ,1986 年 毕业于南京大学物理专业 ,理学学士 ,现主要从事材料理化性能的研 究和检测工作 。
表面区域中的三个独立疲劳源 、且编号 1 所在区域 为主疲劳源 ,编号 2 、3 所在区域为次疲劳源 。