鐵路軸箱彈簧斷裂原因分析

王艷華, 胡智博, 任國強, 郭澤策

(國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 北京100081)

質(zhì)量控制與失效分析

鐵路軸箱彈簧斷裂原因分析

王艷華, 胡智博, 任國強, 郭澤策

(國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 北京100081)

某鐵路軸箱彈簧在服役過程中發(fā)生斷裂。采用化學(xué)成分分析、非金屬夾雜物檢驗、硬度測試、顯微組織及表面脫碳層檢驗、斷口分析等方法，對彈簧斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在服役過程中，彈簧表面存在的不連續(xù)凹痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中并形成裂紋源，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致彈簧最終發(fā)生疲勞斷裂。

彈簧；疲勞斷裂；凹痕

在某鐵路局一級檢修時發(fā)現(xiàn)，服役中的鐵路軸箱彈簧發(fā)生斷裂，期間走行里程約190 000 km。斷裂的鐵路軸箱彈簧如圖1所示，彈簧材料為51CrV4彈簧鋼，加工工藝流程為：加熱→制扁→加熱→卷制→淬火→回火→磨端面→探傷→噴丸→噴漆→包裝。為了尋找該彈簧的斷裂原因，筆者從材料、熱處理工藝質(zhì)量和斷裂特征等方面對其進(jìn)行了一系列理化檢驗及分析。

1 理化檢驗

按圖2所示位置截取試樣，其中，1號試樣用于斷口分析，2號試樣用于非金屬夾雜物檢驗、硬度測試、顯微組織及表面脫碳層檢驗，3號試樣用于化學(xué)成分分析。

1.1 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》及GB/T 20125-2006《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》，對彈簧的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。由結(jié)果可見，該彈簧的化學(xué)成分符合EN 10089:2002(E)對51CrV4彈簧鋼成分的技術(shù)要求[1]。

圖1 斷裂彈簧宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured spring

圖2 彈簧取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling of the spring

表1 彈簧化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 非金屬夾雜物檢驗

根據(jù)EN 13298：2003[2]附錄D2，對彈簧進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗，結(jié)果見表2，可見該彈簧的非金屬夾雜物級別符合EN 13298：2003中的相關(guān)要求。

表2 彈簧非金屬夾雜物檢驗結(jié)果

1.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)》，使用洛氏硬度計對彈簧的中心硬度及表面硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。由結(jié)果可見，該彈簧硬度符合TB/T 2211-2010中的相關(guān)要求[3]。

表3 彈簧硬度測試結(jié)果

1.4 顯微組織及表面脫碳層檢驗

依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》及GB/T 224-2008《鋼的脫碳層深度測定法》，利用金相顯微鏡分別對彈簧的顯微組織及脫碳層深度進(jìn)行了檢驗，結(jié)果如圖3和圖4所示。由結(jié)果可見，彈簧的顯微組織為均勻的回火屈氏體，表面不存在脫碳層，符合TB/T 2211-2010中表面脫碳層深度不大于0.15 mm的要求。

圖3 彈簧顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the spring

圖4 彈簧表面顯微組織形貌Fig.4 Morphology of surface microstructure of the spring

1.5 斷口分析

1.5.1 宏觀分析

將1號試樣在丙酮溶液中清洗后，目測及利用體視顯微鏡觀察斷口特征，如圖5～7所示。可見斷裂起源于彈簧內(nèi)側(cè)面，斷口呈典型的疲勞斷裂特征，明顯可以看出裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)。觀察彈簧內(nèi)側(cè)面，可發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)域彈簧內(nèi)側(cè)面存在較多不連續(xù)的凹痕。

圖6 彈簧內(nèi)側(cè)面上凹痕形貌Fig.6 Morphology of the dents on the inner side of the spring

圖7 彈簧裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.7 Morphology of the crack source and crack growth area of the spring

1.5.2 掃描電鏡分析

圖8 裂紋源處微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the crack source

為進(jìn)一步確定裂紋源與表面凹痕之間的關(guān)系，利用掃描電鏡對斷口試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8和圖9所示?？梢娏鸭y源位于彈簧表面凹痕處，凹痕深度約為0.15 mm，且凹痕表面由完整的油漆層覆蓋。裂紋源根部存在應(yīng)力集中，表現(xiàn)為在斷口上留有臺階[4]。

圖9 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.9 Micro morphology of the crack growth area

2 分析和討論

理化檢驗結(jié)果表明，彈簧的化學(xué)成分、非金屬夾雜物含量、硬度、顯微組織和表面脫碳層均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此彈簧的材料和熱處理工藝方面均不存在質(zhì)量問題。

在對彈簧進(jìn)行斷口分析時發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋源位于彈簧內(nèi)側(cè)面，且裂紋源處彈簧表面存在肉眼可見的不連續(xù)凹痕。分析認(rèn)為，由于這些凹痕的存在，使得彈簧在工作狀態(tài)下該處存在較大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致彈簧疲勞斷裂[5]。

從彈簧表面檢驗結(jié)果來看，凹痕周圍油漆層完整，且無機(jī)械損傷及磕碰、擠壓痕跡。因此認(rèn)為，凹痕應(yīng)是在彈簧表面噴漆前的制造過程中產(chǎn)生的，從其形態(tài)和分布情況來分析，這些凹痕應(yīng)該是在螺旋彈簧的卷制過程中產(chǎn)生的。

3 結(jié)論及建議

在服役過程中，彈簧表面存在的不連續(xù)凹痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋源，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致彈簧最終發(fā)生疲勞斷裂。彈簧表面凹痕是在彈簧表面噴漆前的卷制過程中產(chǎn)生的，建議加強卷制過程中的工藝質(zhì)量控制，保證彈簧卷制成型后的表面質(zhì)量。

[1] EN 10089:2002(E) Hot rolled steels for quenched and tempered springs-Technical delivery conditions[S].

[2] EN 13298：2003 Railway applications-Suspension components-Helical suspension springs, steel[S].

[3] TB/T 2211-2010 機(jī)車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧[S].

[4] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析 第3講：斷口分析技術(shù)(下)[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(12):833-840.

[5] 吳文祥,尚燦,廖冰,等.汽車轉(zhuǎn)向直拉桿斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(11):818-821.

Reasons Analysis on Fracture of a Spring of the Railway Axle Box

WANG Yanhua, HU Zhibo, REN Guoqiang, GUO Zece

(National Railway Product Quality Supervision and Inspection Center, Beijing 100081, China)

A spring of the railway axle box fractured during service. The fracture reasons of the spring were analyzed by methods of chemical composition analysis, non-metallic inclusion examination, hardness testing, microstructure and surface decarburization layer examination, and fracture analysis. The results show that: during the service, the discontinuous dents on the spring surface generated stress concentration and became the crack source, and the fatigue cracks expanded constantly, which led to the fatigue fracture of the spring.

spring; fatigue fracture; dent

10.11973/lhjy-wl201707011

2016-10-18

王艷華(1977-)，女，高級工程師，主要從事金屬材料及其制品的力學(xué)、物理性能檢測及失效分析， wyh770120@yeah.net

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0504-03