高速重載機(jī)車車軸疲勞試驗(yàn)失效分析及對(duì)策

文/李利連·大同機(jī)車鍛造有限責(zé)任公司

高速重載機(jī)車車軸疲勞試驗(yàn)失效分析及對(duì)策

文/李利連·大同機(jī)車鍛造有限責(zé)任公司

背景介紹

隨著我國高速和重載列車的發(fā)展，對(duì)大功率機(jī)車車軸的性能提出了更高的要求。尤其是對(duì)機(jī)械性能、金相組織、疲勞性能和殘余應(yīng)力的要求更加明確。HXD2F系列機(jī)車車軸型式試驗(yàn)包括：⑴化學(xué)成分、夾雜物和機(jī)械性能要求；檢測(cè)實(shí)物車軸軸座的表面、R/2處、中心和相應(yīng)部位常溫、-20℃橫向、縱向的沖擊性能；沖擊性能常溫檢測(cè)U型缺口，低溫檢測(cè)V型缺口；⑵金相組織；⑶疲勞性能；⑷殘余應(yīng)力試驗(yàn)；⑸尺寸和其他。

機(jī)車車軸的疲勞性能對(duì)外在因素和內(nèi)在因素都極為敏感。外在因素包括合理的形狀尺寸（包括盡量避免應(yīng)力集中）、正確選材，正確使用制造工藝。內(nèi)在因素包括化學(xué)成分、組織形態(tài)、純潔度、微觀結(jié)構(gòu)（位錯(cuò)、空位等）、殘余應(yīng)力等。

疲勞裂紋一般起源于零件高度應(yīng)力集中部位或者表面缺陷處，如表面裂紋、軟點(diǎn)、夾雜、急劇的轉(zhuǎn)角過渡及刀痕等，疲勞破壞對(duì)缺陷有很大的敏感性。

大功率重載機(jī)車車軸按照標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)要求設(shè)計(jì)完成后，其材料的選擇、形狀尺寸和工況載荷、安全設(shè)計(jì)壽命等已經(jīng)確定。HXD2F型機(jī)車車軸材質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)EN13261中的EA4T，此材料具有足夠高的抗疲勞性能和良好的綜合機(jī)械性能。但是在初次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了典型的疲勞失效。其車軸裂紋如圖1所示，圖中的裂紋是在疲勞試驗(yàn)、磁粉探傷后紫外燈照射下的情況。

針對(duì)失效的試驗(yàn)軸宏觀分析，并結(jié)合制造工藝分析，確定其失效的主要原因并對(duì)其改進(jìn)，最終綜合機(jī)械性能、殘余應(yīng)力、疲勞試驗(yàn)完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

影響機(jī)車車軸疲勞性能的主要因素和應(yīng)對(duì)措施

機(jī)車車軸制造的主要工藝和檢測(cè)流程：原材料采購——鍛造——粗加工——調(diào)質(zhì)——機(jī)械性能與金相檢測(cè)——超聲波探傷——精加工——磁粉探傷——疲勞性能檢測(cè)。

圖1 車軸裂紋

分析整個(gè)工藝流程，造成此次疲勞試驗(yàn)失敗是由多方面的綜合因素造成的，主要因素是原材料、熱處理工藝和加工方法。取裂紋處金相試樣檢測(cè)其組織表面、1/2處、中心處情況如圖2所示。從圖上可以看出金相組織含有不同程度的鐵素體組織；晶粒度從表面到中心是不均勻的。

原材料

成分分析：試樣位置在輪座處（疲勞失效處），采用光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析?；瘜W(xué)成分在合格的范圍內(nèi)，但是成分偏析明顯。成分分析如表1所示。

由于化學(xué)成分的偏析造成拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度不均勻，差距較大，并且三個(gè)試樣沖擊功差值差距明顯較大。具體參數(shù)如表2所示。

應(yīng)對(duì)措施

我們對(duì)EA4T的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并且與鋼廠制訂了技術(shù)協(xié)議。

高速重載機(jī)車車軸應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是EN 13261和UIC811。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)化學(xué)成分的要求只規(guī)定了上限。選擇材料時(shí)對(duì)化學(xué)成分的范圍、夾雜物及微觀組織缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，造成了成分偏析。

通過對(duì)改進(jìn)后的車軸進(jìn)行解剖，與表1取樣相同位置的化學(xué)成分對(duì)比，發(fā)現(xiàn)成分偏析不明顯。

我們選擇與設(shè)計(jì)性能要求相適應(yīng)的化學(xué)成分范圍，控制了夾雜物、偏析、內(nèi)部缺陷，使其避免材料缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，滿足機(jī)械性能要求。通過熱處理達(dá)到性能要求和組織均勻，減少存在于表面夾雜物的應(yīng)力集中源，避免夾雜物與基體界面結(jié)合處過早產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖2 金相組織和晶粒度

表1 成分分析

表2 拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)參數(shù)

熱處理

熱處理使用懸掛式連續(xù)熱處理生產(chǎn)線。原工藝熱處理后形成如圖2的金相組織，存有殘留鐵素體，不完全是標(biāo)準(zhǔn)要求的馬氏體/貝氏體組織。

應(yīng)對(duì)措施：改進(jìn)熱處理工藝參數(shù)——正火加調(diào)質(zhì)。鍛造后進(jìn)行正火處理，對(duì)正火冷卻進(jìn)行了特殊的規(guī)定，消除鍛造缺陷、細(xì)化晶粒，為調(diào)質(zhì)處理預(yù)備良好組織。

改進(jìn)熱處理工藝后達(dá)到規(guī)定的機(jī)械性能、沖擊性能和金相組織。解剖多根車軸發(fā)現(xiàn)整根車軸表面、R/2處、和中心處趨于一致，符合標(biāo)準(zhǔn)要求并且性能穩(wěn)定。改進(jìn)后性能見表3。

改進(jìn)熱處理工藝后的金相組織均為M+B組織，車軸R/2處、表面和心部，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖3所示。

工藝設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)失效車軸的表面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)是拉應(yīng)力，當(dāng)時(shí)工藝設(shè)計(jì)時(shí)沒重視成品車軸表面應(yīng)力狀態(tài)。疲勞性能應(yīng)該要求工件表面最好預(yù)制置成壓應(yīng)力。

⑴在精加工后進(jìn)行磨削加工使其成為壓應(yīng)力。

磨削工藝簡單，使用現(xiàn)成設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)，但隨后的應(yīng)力低。

磨削應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

⑵通過輥壓試驗(yàn)將其成為壓應(yīng)力。

經(jīng)過試驗(yàn)，兩種工藝都能達(dá)到要求。輥壓后殘余應(yīng)力較磨削工藝后壓應(yīng)力大并且均勻，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

加工經(jīng)歷

機(jī)械加工過程中，每一次加工都確保表面粗糙度，避免刀痕造成微小缺口，在工件表面形成應(yīng)力集中，從而降低疲勞應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度越高缺口越敏感，這也證實(shí)了第一次疲勞試驗(yàn)失敗的其中一個(gè)因素。

圖3 M+B組織圖片

表4 磨削應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 輥壓后的殘余應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)以上各個(gè)方面改進(jìn)，進(jìn)行小試樣（光滑試樣Rfl和帶缺口試樣RfE）的疲勞試驗(yàn)和實(shí)物車軸的疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全部合格。

最終確定機(jī)車車軸制造的主要工藝流程：原材料采購——鍛造——粗加工——正火——調(diào)質(zhì)——超聲波探傷——精加工——輥壓——磁粉探傷——疲勞性能檢測(cè)——?dú)堄鄳?yīng)力檢測(cè)。

結(jié)論

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法避免或者減弱應(yīng)力集中，得出可靠安全合理的外形和尺寸。工藝設(shè)計(jì)全面考慮標(biāo)準(zhǔn)要求的各個(gè)環(huán)節(jié)及其可能出現(xiàn)的問題及其應(yīng)對(duì)措施，注重工藝審查的重要性。

材料的選擇上，選擇脫氣效果好的，化學(xué)成分控制在較理想范圍，避免成分和組織偏析，夾雜物控制在要求的范圍內(nèi)。確保熱處理后的性能和組織穩(wěn)定。

熱處理時(shí)操作者嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)定——正火加調(diào)質(zhì)，使熱處理后的機(jī)械性能和組織均勻一致。

提高工件表面質(zhì)量，避免表面刀痕或損傷處引起應(yīng)力集中。機(jī)械加工過程中，保證表面粗糙度，避免因?yàn)楣に囆纬杀砻嫒毕荨?/p>

采用新技術(shù)、新工藝改進(jìn)表面狀態(tài)。在工藝允許的情況下，采用磨削、噴丸、輥壓、表面熱處理、表面涂層等方式形成一層預(yù)壓力層，使殘余應(yīng)力預(yù)置成一定的壓應(yīng)力。

李利連，畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)金屬材料及熱處理專業(yè)，高級(jí)工程師、技術(shù)部部長。2006年開始從事鍛壓工藝和熱處理工藝工作，尤其對(duì)各種材質(zhì)的機(jī)車車軸鍛造、熱處理、機(jī)車車鉤和牽引座的材質(zhì)及熱處理研究比較專業(yè)和具體，擅長各種形狀和材質(zhì)工件的離子氮化。獲得活塞頂?shù)瘒壹?jí)QC成果一等獎(jiǎng)。參加起草的兩項(xiàng)中車標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布實(shí)施。