铁路货车车轴断裂失效分析
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造成的加工刀痕（见图4）。列车运行中，卸荷槽部位的锈蚀、个别较深加工刀痕和轴表面存在的
急 疲劳累积损伤（见图16）共同作用萌生了疲劳微裂纹，形成不同位置的多个裂纹萌生点，这些萌
生裂纹一方面沿圆周方向扩展，另一方面向深度扩展。当最先、最主要的几个裂纹萌生点在轴表
面连接后，成为弧型线源，齐头并进向轴的深度方向扩展，并形成凹型扩展前沿，同时不同平面
车轴冷切部位为轮对左侧轴颈卸荷槽部位，造成行车重大事故。
析
网 采用光电发射光谱法(GB/T4336—1984) 对车轴的化学成分进行了测定，具体测试结果如表1
所示： 表1 化学成分分析结果
元素
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Cu
含量（w%） TB/T451-1986 标准允许偏差
0.46
0.64
0.24 0.0073
5
直的贝纹线，具有较快的扩展速度；B2 区裂纹的扩展速率明显加快，看不到贝纹线， 存在沿扩展方向的纤维状特征，扩展深度为50mm 。
C 区为瞬断区，面积较小，约占整个断口面的5%，如图9 所示。A′区是次裂纹源，仍是弧形 线纹源，扩展区很小，呈纤维状特征（图9）。
中
国
应
图6 轴承一侧车轴断面和分区图
国 原因退轴承后，一定要仔细观察卸荷槽部位的轴表面，凡经清洗除锈后仍有蚀刻的车轴停止使用。
对没有锈蚀的车轴，一定要加涂防锈脂；卸荷槽部位加工粗糙度（特别注意有无个别过深刀痕），
应 凡达不到图纸要求的车轴停止使用；建议对新制车轴取消轴颈卸荷槽，采用成型磨方法加工车轴轴
颈；建议对车轴材质的带状偏聚等级在技术条件中予以限制。
应 求为小于等于3 级，夹杂物照片见图3。 急 分 析 图2 车轴材质晶粒度照片100× 网
(a) 硫化物夹杂100×
3
中 国
（b）氧化物夹杂100× 图3 夹杂物照片
车轴的卸荷槽部位表面粗糙度情况为：右端该部位表面粗糙度为Ra1.60 ，左端该部位表面粗
应 糙度为Ra3.20，局部有较深刀痕，分别见图4 和图5。
分
析
网
14
分 装轴承一侧心部略凸，装车轮一侧的断面心部略凹，呈微皿形，整个断口基本处于一
个较深刀痕位置（图6，图7）。图4.b 中可看到断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小 裂纹。断口附近轴的外表面，从轴颈后肩圆弧过渡区延伸到卸荷槽部位，50%以上的
析 圆周上可见明显锈斑，（见图4）。表面加工粗糙度不太均匀，局部加工刀痕略深。
急
(a)
分
析
(b)
网
(c)
4
Βιβλιοθήκη Baidud)
图4 车轴左端卸荷槽裂断部位表面照片（a，b，c，d）
中
(a)
国
应 (b)
图5 车轴右端卸荷槽部位表面照片（a，b）
急 以上试验结果符合标准TB/T 451-1986 及GB/T 5068-1985 的规定；车轴左端卸
荷槽部位粗糙度不能满足标准TB/T 450-1983 的要求。裂断轴断口的宏观观测1564 号 轴裂断位置在距离轴端约210mm 处的卸荷槽部位。断口断面基本上处于轴的横截面，
JS-AL-交通运输（铁道、汽车、舰船、桥梁）－066
铁路货车车轴裂断失效分析
摘要：2004 年7 月26 日晚，10915 次货物列车在京九线济南铁路局管内任详屯至郓城间，发生了
车轴冷切，部位为轮对左侧轴颈卸荷槽部位。按车轴制造标准及车轴钢坯标准、车轴型式尺寸标准
对车轴进行了解剖、取样，进行检验分析，采取了化学成分分析，低倍酸浸试验，机械性能测试，
急
分
析
图7 车轮一侧车轴断面
网
A′
图8 车轴断面A 区放大
6
图9 车轴断面C、A′区放大
中在裂纹源区及裂纹扩展区、瞬断区以及次裂纹源区取样对断口进行微观分析，取样位置如图 10 所示。 1、扫描电子显微镜的微观形貌分析结果是： 国 （1）裂纹源为多源，形成的多个小台阶，小台阶的高度差和刀痕间距有对应关系，也可看到 断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小裂纹（图11）； （2）在旋转弯曲载荷反复挤压、摩擦作用下，断口主裂纹源区光亮、平整，可看到珠光体片 应 层结构（图12）； （3）在轴断口面有纵向微裂纹（图13）； （4）在断口裂纹扩展区存在大量的疲劳累积损伤微裂纹（图14）； 急 （5）瞬断区为韧窝特征（图15）； （6）轴表面的疲劳累积损伤微裂纹（图16）； （7）断口区的沿晶断裂特征（图17）。2、金相微观分析结果是： 分 （1）进一步对裂纹源区的金相组织观察发现，存在严重的铁素体偏聚（图18）。在纵向和横 向金相上均呈现不均匀分布。 （2）轴表面断口附近有若干横向裂纹（图19）。车轴内部有微裂纹（图20）。 析 （3）断口表面上的纵裂纹从纵向金相磨面观察都转为横向裂纹（图18，20）。 网
但未裂断的车轴右端同一区域，表面仅有轻微的锈斑，见图5。断口的裂纹源区、裂
网 纹扩展区、瞬断区清晰，光亮区为裂纹源区，颜色发黯部分为裂纹扩展区，黑灰色的
为瞬时断裂区，用细实线分别标注为A、B、C 区，如图6 所示，其中裂纹源区有主、 次两个裂纹源区，分别标注为A、A′区。A 区表面光亮平整，其形状在整个断口面中 象一个月牙（图8），裂纹源为长弧形线源，形成了此区的月牙外弧，外弧沿轴的表 面，总长度约为120mm ，在外弧线上分布着十多个肉眼可见的小台阶，内弧线不明显。 裂纹扩展区（B 区）扩展总长度约为90mm （图6 中的B 区）。将其细分为B1，B2 两 个区域；B1 区贝纹线清晰、较密，而且从一开始就比较平直，扩展深度约为40mm ， 显示出A 区的长弧形线裂纹源齐头并进向轴的深度方向扩展，交汇后，形成了近似平
40mm 时，疲劳条带消失，裂纹进入快速扩展（见图6），最后在比较小的载荷下，车轴裂断。
网
冷切轴的裂断原因是以下三个因素共同作用的结果： 1.卸荷槽部位的锈蚀； 2.个别较深的加工刀痕； 3.车轴材质内严重的铁素体偏聚已形成大量的疲劳累积损伤微裂纹。
1.建议在厂、段修规程中规定，车轴在厂修，段修（包括各车轮厂）时，无论何种原因退轴 承后，一定要仔细观察卸荷槽部位的轴表面，凡经清洗除锈后仍有蚀刻的车轴停止使用。对没有 锈蚀的车轴，一定要加涂防锈脂。
试样进行轴材质的机械性能分析。拉伸试验在WAW－Y500 试验机上进行，冲击试验在WPM3000 型 试验机上进行。表3 给出了机械性能试验结果。
2
表3 机械性能测试结果
中 国取拉伸试样粗端未变形部，在横截面上做金相检验，其结果为：车轴的晶粒度为5 级，标准
要求为5~8 级，晶粒度照片见图2；组织中的氧化物夹杂为2 级，硫化物夹杂为2 级，标准分别要
车轴卸荷槽部位粗糙度检验，车轴材质结果判定，裂断轴断口的宏观观测和微观分析6 种分析测试
中方法。经对试样的综合测试分析后认为：冷切轴的裂断原因是以下三个因素共同作用的结果：1、
卸荷槽部位的锈蚀；2、个别较深的加工刀痕；3、车轴材质内严重的铁素体偏聚已形成大量的疲劳
累积损伤微裂纹。建议在厂、段修规程中规定，车轴在厂修，段修（包括各车轮厂）时，无论何种
13
2.卸荷槽部位加工粗糙度（特别注意有无个别过深刀痕），凡达不到图纸要求的车轴停止使 用。
3.建议对新制车轴取消轴颈卸荷槽，采用成型磨方法加工车轴轴颈。 4.建议对车轴材质的带状偏聚等级在技术条件中予以限制。（现用有关铁路车轴标准中未作 规定）
项彬，刘鑫贵等
中
铁道科学研究院金属及化学研究所
国
应
急
分 上的裂纹萌生点在相会时宏观上形成台阶（见图6）。此阶段发展过程中，旋转弯曲载荷下的闭合
效应和极微小的扭转位移，使得此区对磨得平整光亮，而其它部位的裂纹萌生点受到抑制。
析 疲劳裂纹源形成后，由于车轴材质存在严重的铁素体偏聚（见图18），在疲劳载荷作用下已
形成大量的疲劳累积损伤微裂纹，这使裂纹扩展速度很快进入中速扩展阶段，当裂纹扩展深度约
关键词：40 钢；车轴；卸荷槽；裂断；锈蚀；刀痕；铁素体偏聚；累积损伤；微裂纹
材料种类 牌号：中碳钢/40
急
分 2004 年7 月26 日晚，10915 次货物列车在京九线济南铁路局管内任详屯至郓城间，发生了
车轴冷切。10915 次货物列车编组49 辆，发生切轴的为机车后部第40 辆车，编号为C62A 4528204 ，
0.37～ 0.45
+0.03 –0.02
0.50～ 0.80
+0.10 –0.05
0.15～ 0.35
+0.05 -0.05
0.040 +0.005
0.029 不
0.045
+0.005
0.007 大 0.30
-
0.027 于 0.30
-
0.036 0.25
-
1
低倍酸浸试验： 紧靠断口取一轴横截面试片，进行低倍酸浸试验，其组织照片如图1 所示，评级结果如表2 所
示。
中
国
应
图1 车轴低倍组织图片
急表2 低倍组织评级结果
类型 结果值 GB/T 5068-1985
一般疏松 1.0 级
2.5 级
中心疏松
定型偏析
分 2.0 级
0级
不
大于
点状偏析 1.0 级
2.5 级
2.5 级
2.0 级
析
网 按照TB/T 451-1996，GB228 和GB229 分别在断轴轴颈半径二分之一处，取得拉伸试棒和冲击
应
急
分 (c) 沿轴的横向100×
图18 铁素体不均匀偏聚(a,b,c)
析
网
图19 轴表面断口附近的横向裂纹100×
12
中
国
图20 断口上的微裂纹在内部转向100×
根据上述检测和分析，可以得出1564 号轴的裂断过程：
应 在1564 号轴断口附近的轴表面存在着明显的、有一定深度的锈蚀斑，同时还存在因加工不当
图10 断口微观分析取样图
7
中 国 图11 裂纹源区的小台阶和刀痕间的距离关系 应 急 分
图12 裂纹源区的珠光体片层结构
析 网
(a)
8
中
国
(b) 图13 轴断口处的纵向微裂纹(a,b)
应
急
分
析 图14 扩展区的大量疲劳累积损伤微裂纹
网
图15 断口瞬断区的韧窝特征
9
中
国
(a) 密集型微裂纹
应
急
分
(b) 有一定方向性的微裂纹
析 图16 轴表面锈蚀区域的疲劳累积损伤微裂纹 (a,b)
网
图17 断口面的沿晶断裂特征
10
中
国
(a-1) 断口疲劳源区的组织100×
应
急
分
(a-2) 断口疲劳源区的组织和裂纹100×
析
网
(a-3) 断口疲劳源区的组织和裂纹100×
11
中 国
(b) 沿轴的纵向（轴内部）100×
急 疲劳累积损伤（见图16）共同作用萌生了疲劳微裂纹，形成不同位置的多个裂纹萌生点，这些萌
生裂纹一方面沿圆周方向扩展，另一方面向深度扩展。当最先、最主要的几个裂纹萌生点在轴表
面连接后，成为弧型线源，齐头并进向轴的深度方向扩展，并形成凹型扩展前沿，同时不同平面
车轴冷切部位为轮对左侧轴颈卸荷槽部位，造成行车重大事故。
析
网 采用光电发射光谱法(GB/T4336—1984) 对车轴的化学成分进行了测定，具体测试结果如表1
所示： 表1 化学成分分析结果
元素
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Cu
含量（w%） TB/T451-1986 标准允许偏差
0.46
0.64
0.24 0.0073
5
直的贝纹线，具有较快的扩展速度；B2 区裂纹的扩展速率明显加快，看不到贝纹线， 存在沿扩展方向的纤维状特征，扩展深度为50mm 。
C 区为瞬断区，面积较小，约占整个断口面的5%，如图9 所示。A′区是次裂纹源，仍是弧形 线纹源，扩展区很小，呈纤维状特征（图9）。
中
国
应
图6 轴承一侧车轴断面和分区图
国 原因退轴承后，一定要仔细观察卸荷槽部位的轴表面，凡经清洗除锈后仍有蚀刻的车轴停止使用。
对没有锈蚀的车轴，一定要加涂防锈脂；卸荷槽部位加工粗糙度（特别注意有无个别过深刀痕），
应 凡达不到图纸要求的车轴停止使用；建议对新制车轴取消轴颈卸荷槽，采用成型磨方法加工车轴轴
颈；建议对车轴材质的带状偏聚等级在技术条件中予以限制。
应 求为小于等于3 级，夹杂物照片见图3。 急 分 析 图2 车轴材质晶粒度照片100× 网
(a) 硫化物夹杂100×
3
中 国
（b）氧化物夹杂100× 图3 夹杂物照片
车轴的卸荷槽部位表面粗糙度情况为：右端该部位表面粗糙度为Ra1.60 ，左端该部位表面粗
应 糙度为Ra3.20，局部有较深刀痕，分别见图4 和图5。
分
析
网
14
分 装轴承一侧心部略凸，装车轮一侧的断面心部略凹，呈微皿形，整个断口基本处于一
个较深刀痕位置（图6，图7）。图4.b 中可看到断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小 裂纹。断口附近轴的外表面，从轴颈后肩圆弧过渡区延伸到卸荷槽部位，50%以上的
析 圆周上可见明显锈斑，（见图4）。表面加工粗糙度不太均匀，局部加工刀痕略深。
急
(a)
分
析
(b)
网
(c)
4
Βιβλιοθήκη Baidud)
图4 车轴左端卸荷槽裂断部位表面照片（a，b，c，d）
中
(a)
国
应 (b)
图5 车轴右端卸荷槽部位表面照片（a，b）
急 以上试验结果符合标准TB/T 451-1986 及GB/T 5068-1985 的规定；车轴左端卸
荷槽部位粗糙度不能满足标准TB/T 450-1983 的要求。裂断轴断口的宏观观测1564 号 轴裂断位置在距离轴端约210mm 处的卸荷槽部位。断口断面基本上处于轴的横截面，
JS-AL-交通运输（铁道、汽车、舰船、桥梁）－066
铁路货车车轴裂断失效分析
摘要：2004 年7 月26 日晚，10915 次货物列车在京九线济南铁路局管内任详屯至郓城间，发生了
车轴冷切，部位为轮对左侧轴颈卸荷槽部位。按车轴制造标准及车轴钢坯标准、车轴型式尺寸标准
对车轴进行了解剖、取样，进行检验分析，采取了化学成分分析，低倍酸浸试验，机械性能测试，
急
分
析
图7 车轮一侧车轴断面
网
A′
图8 车轴断面A 区放大
6
图9 车轴断面C、A′区放大
中在裂纹源区及裂纹扩展区、瞬断区以及次裂纹源区取样对断口进行微观分析，取样位置如图 10 所示。 1、扫描电子显微镜的微观形貌分析结果是： 国 （1）裂纹源为多源，形成的多个小台阶，小台阶的高度差和刀痕间距有对应关系，也可看到 断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小裂纹（图11）； （2）在旋转弯曲载荷反复挤压、摩擦作用下，断口主裂纹源区光亮、平整，可看到珠光体片 应 层结构（图12）； （3）在轴断口面有纵向微裂纹（图13）； （4）在断口裂纹扩展区存在大量的疲劳累积损伤微裂纹（图14）； 急 （5）瞬断区为韧窝特征（图15）； （6）轴表面的疲劳累积损伤微裂纹（图16）； （7）断口区的沿晶断裂特征（图17）。2、金相微观分析结果是： 分 （1）进一步对裂纹源区的金相组织观察发现，存在严重的铁素体偏聚（图18）。在纵向和横 向金相上均呈现不均匀分布。 （2）轴表面断口附近有若干横向裂纹（图19）。车轴内部有微裂纹（图20）。 析 （3）断口表面上的纵裂纹从纵向金相磨面观察都转为横向裂纹（图18，20）。 网
但未裂断的车轴右端同一区域，表面仅有轻微的锈斑，见图5。断口的裂纹源区、裂
网 纹扩展区、瞬断区清晰，光亮区为裂纹源区，颜色发黯部分为裂纹扩展区，黑灰色的
为瞬时断裂区，用细实线分别标注为A、B、C 区，如图6 所示，其中裂纹源区有主、 次两个裂纹源区，分别标注为A、A′区。A 区表面光亮平整，其形状在整个断口面中 象一个月牙（图8），裂纹源为长弧形线源，形成了此区的月牙外弧，外弧沿轴的表 面，总长度约为120mm ，在外弧线上分布着十多个肉眼可见的小台阶，内弧线不明显。 裂纹扩展区（B 区）扩展总长度约为90mm （图6 中的B 区）。将其细分为B1，B2 两 个区域；B1 区贝纹线清晰、较密，而且从一开始就比较平直，扩展深度约为40mm ， 显示出A 区的长弧形线裂纹源齐头并进向轴的深度方向扩展，交汇后，形成了近似平
40mm 时，疲劳条带消失，裂纹进入快速扩展（见图6），最后在比较小的载荷下，车轴裂断。
网
冷切轴的裂断原因是以下三个因素共同作用的结果： 1.卸荷槽部位的锈蚀； 2.个别较深的加工刀痕； 3.车轴材质内严重的铁素体偏聚已形成大量的疲劳累积损伤微裂纹。
1.建议在厂、段修规程中规定，车轴在厂修，段修（包括各车轮厂）时，无论何种原因退轴 承后，一定要仔细观察卸荷槽部位的轴表面，凡经清洗除锈后仍有蚀刻的车轴停止使用。对没有 锈蚀的车轴，一定要加涂防锈脂。
试样进行轴材质的机械性能分析。拉伸试验在WAW－Y500 试验机上进行，冲击试验在WPM3000 型 试验机上进行。表3 给出了机械性能试验结果。
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表3 机械性能测试结果
中 国取拉伸试样粗端未变形部，在横截面上做金相检验，其结果为：车轴的晶粒度为5 级，标准
要求为5~8 级，晶粒度照片见图2；组织中的氧化物夹杂为2 级，硫化物夹杂为2 级，标准分别要
车轴卸荷槽部位粗糙度检验，车轴材质结果判定，裂断轴断口的宏观观测和微观分析6 种分析测试
中方法。经对试样的综合测试分析后认为：冷切轴的裂断原因是以下三个因素共同作用的结果：1、
卸荷槽部位的锈蚀；2、个别较深的加工刀痕；3、车轴材质内严重的铁素体偏聚已形成大量的疲劳
累积损伤微裂纹。建议在厂、段修规程中规定，车轴在厂修，段修（包括各车轮厂）时，无论何种
13
2.卸荷槽部位加工粗糙度（特别注意有无个别过深刀痕），凡达不到图纸要求的车轴停止使 用。
3.建议对新制车轴取消轴颈卸荷槽，采用成型磨方法加工车轴轴颈。 4.建议对车轴材质的带状偏聚等级在技术条件中予以限制。（现用有关铁路车轴标准中未作 规定）
项彬，刘鑫贵等
中
铁道科学研究院金属及化学研究所
国
应
急
分 上的裂纹萌生点在相会时宏观上形成台阶（见图6）。此阶段发展过程中，旋转弯曲载荷下的闭合
效应和极微小的扭转位移，使得此区对磨得平整光亮，而其它部位的裂纹萌生点受到抑制。
析 疲劳裂纹源形成后，由于车轴材质存在严重的铁素体偏聚（见图18），在疲劳载荷作用下已
形成大量的疲劳累积损伤微裂纹，这使裂纹扩展速度很快进入中速扩展阶段，当裂纹扩展深度约
关键词：40 钢；车轴；卸荷槽；裂断；锈蚀；刀痕；铁素体偏聚；累积损伤；微裂纹
材料种类 牌号：中碳钢/40
急
分 2004 年7 月26 日晚，10915 次货物列车在京九线济南铁路局管内任详屯至郓城间，发生了
车轴冷切。10915 次货物列车编组49 辆，发生切轴的为机车后部第40 辆车，编号为C62A 4528204 ，
0.37～ 0.45
+0.03 –0.02
0.50～ 0.80
+0.10 –0.05
0.15～ 0.35
+0.05 -0.05
0.040 +0.005
0.029 不
0.045
+0.005
0.007 大 0.30
-
0.027 于 0.30
-
0.036 0.25
-
1
低倍酸浸试验： 紧靠断口取一轴横截面试片，进行低倍酸浸试验，其组织照片如图1 所示，评级结果如表2 所
示。
中
国
应
图1 车轴低倍组织图片
急表2 低倍组织评级结果
类型 结果值 GB/T 5068-1985
一般疏松 1.0 级
2.5 级
中心疏松
定型偏析
分 2.0 级
0级
不
大于
点状偏析 1.0 级
2.5 级
2.5 级
2.0 级
析
网 按照TB/T 451-1996，GB228 和GB229 分别在断轴轴颈半径二分之一处，取得拉伸试棒和冲击
应
急
分 (c) 沿轴的横向100×
图18 铁素体不均匀偏聚(a,b,c)
析
网
图19 轴表面断口附近的横向裂纹100×
12
中
国
图20 断口上的微裂纹在内部转向100×
根据上述检测和分析，可以得出1564 号轴的裂断过程：
应 在1564 号轴断口附近的轴表面存在着明显的、有一定深度的锈蚀斑，同时还存在因加工不当
图10 断口微观分析取样图
7
中 国 图11 裂纹源区的小台阶和刀痕间的距离关系 应 急 分
图12 裂纹源区的珠光体片层结构
析 网
(a)
8
中
国
(b) 图13 轴断口处的纵向微裂纹(a,b)
应
急
分
析 图14 扩展区的大量疲劳累积损伤微裂纹
网
图15 断口瞬断区的韧窝特征
9
中
国
(a) 密集型微裂纹
应
急
分
(b) 有一定方向性的微裂纹
析 图16 轴表面锈蚀区域的疲劳累积损伤微裂纹 (a,b)
网
图17 断口面的沿晶断裂特征
10
中
国
(a-1) 断口疲劳源区的组织100×
应
急
分
(a-2) 断口疲劳源区的组织和裂纹100×
析
网
(a-3) 断口疲劳源区的组织和裂纹100×
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中 国
(b) 沿轴的纵向（轴内部）100×