鐵路EA4T車軸疲勞開裂失效機(jī)制及對(duì)策

陳 剛，蒲 紅，叢 韜，張 艷，吳 毅，于文壇

（1 寶武集團(tuán)馬鋼軌交材料科技有限公司，安徽馬鞍山 243021；2 馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山 243021；3 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

高鐵車軸是保障動(dòng)車組安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一，與車輪通過過盈配合組成輪對(duì)，承受機(jī)車車輛的全部質(zhì)量。車軸在運(yùn)用中的受載狀態(tài)比較復(fù)雜，不僅承受簧上垂向力、制動(dòng)力和車輪的反作用力，而且承受來自線路的沖擊載荷和通過曲線時(shí)橫向作用于輪緣的導(dǎo)向力，機(jī)車車軸還承受牽引力以及驅(qū)動(dòng)裝置的反作用力，屬于承受疲勞的典型構(gòu)件［1-6］，因此有必要對(duì)高鐵車軸進(jìn)行疲勞分析。

車軸疲勞研究中，輪座位置的微動(dòng)疲勞、車軸表面殘余應(yīng)力和車軸車削工藝研究受到人們關(guān)注。楊廣雪等研究了車軸輪座部位的微動(dòng)疲勞，通過試驗(yàn)和有限元仿真研究軸套間過盈量對(duì)微動(dòng)疲勞的影響，過盈量不同導(dǎo)致接觸邊緣的應(yīng)力集中不同，摩擦系數(shù)和套管長度對(duì)接觸壓力的影響主要體現(xiàn)在接觸邊緣的應(yīng)力集中接觸界面上的摩擦剪切力及其極限值，均隨著過盈量、套管外徑或摩擦系數(shù)的增加而增加［7-8］。對(duì)于S38C車軸，表面淬火后存在殘余應(yīng)力，李益華等研究了殘余應(yīng)力對(duì)車軸疲勞性能的影響，包括熱鍛過程和熱處理過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，通過調(diào)控工藝，使殘余應(yīng)力提高車軸疲勞性能［9-11］。此外，于鑫等研究了車削表面完整性對(duì)車軸疲勞性能的影響［12-14］。

文中采取失效分析的方法，對(duì)車軸軸身整體疲勞試驗(yàn)發(fā)生疲勞失效的EA4T車軸，展開了裂紋斷口、裂紋萌生位置的微結(jié)構(gòu)特征等分析，初步探討了生產(chǎn)制造過程中導(dǎo)致車軸疲勞開裂的失效機(jī)制，并提出了改進(jìn)對(duì)策，為生產(chǎn)制造工藝優(yōu)化提供支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 車軸疲勞試驗(yàn)

車軸疲勞試驗(yàn)在通過CNAS、CMA認(rèn)證的全尺寸輪軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。載荷控制精度高，運(yùn)行時(shí)載荷示值誤差值小于0.5%，且具備早期裂紋自動(dòng)識(shí)別功能，能夠按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13260《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—輪對(duì)產(chǎn)品要求》、EN 13261《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—車軸產(chǎn)品要求》或者其他試驗(yàn)方法進(jìn)行車軸的實(shí)物疲勞試驗(yàn)。

車軸疲勞試驗(yàn)基本步驟如下：

（1）試驗(yàn)前將車軸考核部位的最大應(yīng)力幅作為控制參數(shù)，對(duì)車軸應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，以確定試驗(yàn)所需施加的載荷。

（2）將車軸與工裝輪過盈配合組裝后的試驗(yàn)試樣固定在設(shè)備連接板上后，由電機(jī)帶動(dòng)不平衡質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而在試驗(yàn)試樣上產(chǎn)生循環(huán)交變應(yīng)力。

（3）試驗(yàn)過程中通過試驗(yàn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)頻率的變化實(shí)時(shí)監(jiān)控試樣是否出現(xiàn)裂紋。

（4）試驗(yàn)結(jié)束后，用磁粉探傷方法進(jìn)一步檢測(cè)是否出現(xiàn)裂紋。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)車軸為3根EA4T車軸軸身，按歐標(biāo)EN 13261《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—車軸產(chǎn)品要求》要求，采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)方法完成了車軸實(shí)物疲勞試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定EA4T整體實(shí)心車軸，疲勞極限值應(yīng)≥240 N/mm2，經(jīng)107次循環(huán)加載后應(yīng)沒有裂紋。

3根車軸在進(jìn)行實(shí)物疲勞試驗(yàn)時(shí)，其中1根車軸循環(huán)加載到1.55×106次時(shí)發(fā)生失效（試驗(yàn)應(yīng)力為145 MPa，頻率為24.86 Hz），車軸軸身與輪座的圓弧過渡區(qū)存在2條周向裂紋。按照EN 13261—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)失效車軸的常規(guī)化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，見表1、表2，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。失效車軸金相試樣顯微組織形貌如圖1所示，表層組織為貝氏體+回火索氏體，1/2半徑處組織為貝氏體+回火索氏體+鐵素體，中心處組織為貝氏體+回火索氏體+鐵素體。

表1 失效車軸的化學(xué)成分 單位：wt%

表2 失效車軸的力學(xué)性能

圖1 車軸顯微組織形貌

2 車軸疲勞失效分析

2.1 車軸斷口分析

失效車軸在距輪座8.5 mm左右存在2條周向裂紋，該2條裂紋處在輪座與軸身圓弧過渡區(qū)的相對(duì)稱位置，基本處于同一圓周，宏觀形貌如圖2所示。在車軸的周向裂紋處截取一段80 mm軸塊，裂紋包含在軸塊中間位置，將切下的軸塊進(jìn)行超聲波探傷，裂紋1向內(nèi)擴(kuò)展深約50 mm，周向長約200 mm；裂紋2向內(nèi)擴(kuò)展深約22 mm，周向長約130 mm，裂紋向內(nèi)擴(kuò)展情況如圖3所示，從周向長度初步判斷裂紋1的產(chǎn)生應(yīng)早于裂紋2。采用人工法將裂紋打開，裂紋1和裂紋2斷口宏觀形貌如圖4所示，屬于典型的多源疲勞斷裂，裂紋起源于輪座與軸身交界的R角處表面。

圖2 車軸周向裂紋宏觀形貌

圖3 周向裂紋向內(nèi)擴(kuò)展情況

圖4 斷口宏觀形貌

斷口1處宏、微觀形貌和斷口附近車軸表面加工質(zhì)量如圖5所示。在斷口1處取樣進(jìn)行SEM斷口分析，發(fā)現(xiàn)斷裂起源于車軸表面，疲勞源處斷口宏、微觀形貌如圖5（a）、圖5（b）所示。疲勞快速擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋，微觀形貌見圖5（c），斷口面附近車軸R角處表面可見加工刀痕，斷口面與加工刀痕方向基本平行一致，斷口面附近1 mm范圍內(nèi)車軸表面還可見與刀痕一致的微裂紋，如圖5（d）、圖5（e）、圖5（f）所示。斷口2的情況基本同斷口1，在斷口面附近0.6 mm范圍內(nèi)車軸表面可見與刀痕一致的微裂紋。

圖5 斷口1處宏、微觀形貌和斷口附近車軸表面加工質(zhì)量

表3 失效車軸的高倍夾雜級(jí)別

將斷口1和斷口2在斷裂源處切開，磨斷口面的側(cè)面進(jìn)行了缺陷金相觀察，斷裂起源處未見非金屬夾雜，斷裂起源處顯微組織為貝氏體+回火索氏體，斷裂源區(qū)微觀形貌和顯微組織如圖6所示。

圖6 斷裂源區(qū)的微觀形貌和顯微組織

2.2 產(chǎn)生原因淺析和改進(jìn)方法

通過對(duì)車軸周向裂紋的宏觀觀察和SEM觀察分析，如圖5所示，輪座與軸身之間圓弧過渡區(qū)2條周向裂紋的斷口均屬于典型的多源疲勞斷裂，裂紋均起源于軸表面，軸表面圓弧過渡區(qū)可見加工刀痕，裂紋萌生以及周向擴(kuò)展方向與軸表面的加工刀痕方向有一致性。輪座與軸身交界處的圓弧過渡區(qū)，在車軸進(jìn)行整體疲勞試驗(yàn)過程中是一個(gè)高應(yīng)力區(qū)。由于該車軸在輪座與軸身的圓弧過渡區(qū)加工質(zhì)量不良，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋會(huì)在較深刀痕處萌生，并向內(nèi)擴(kuò)展。

此外，EA4T為歐標(biāo)牌號(hào)的低碳合金鋼材，主要用于地鐵車軸和高速動(dòng)車組車軸，需要通過調(diào)質(zhì)處理來改善車軸的組織—性能匹配，所以標(biāo)準(zhǔn)EN 13261—2011規(guī)定，車軸1/2半徑處顯微組織應(yīng)為貝氏體/回火索氏體組織。而從圖2和圖6可見，雖然該車軸表層顯微組織為貝氏體+回火索氏體組織，但貝氏體含量明顯偏多，且1/2半徑處為貝氏體+回火索氏體+鐵素體組織，存在一定的鐵素體組織，表2所示抗拉強(qiáng)度也處于標(biāo)準(zhǔn)要求的中間偏下水平，可見車軸調(diào)質(zhì)處理效果不太理想，也會(huì)加劇疲勞裂紋的向內(nèi)擴(kuò)展。

可見，該件車軸發(fā)生整體疲勞失效的原因，初步判斷應(yīng)與輪座和軸身交界處的圓弧過渡區(qū)加工質(zhì)量不良和車軸調(diào)質(zhì)處理效果不太理想有關(guān)。

應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車軸在輪座與軸身圓弧過渡區(qū)的加工工藝，消除較深加工刀痕。在不能采用磨削的情況下，車削時(shí)需要注意刀具及切削參數(shù)的選擇，車削刀片選擇相對(duì)較大的刀尖圓角，主要切削參數(shù)—線速度300 mm/min左右，高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量，達(dá)到較好的表面質(zhì)量。

此外，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車軸熱處理工藝，獲得良好的組織狀態(tài)。車軸有效尺寸較大，為改善車軸的組織—性能匹配，以獲得更優(yōu)的顯微組織分布，可采用冷卻強(qiáng)度較高的水基淬火介質(zhì)，并在淬火過程中通過淬火液的攪拌和車軸的上下竄動(dòng)相結(jié)合等措施，進(jìn)一步提高淬火冷卻能力，但要防止冷速過高導(dǎo)致車軸過大的彎曲變形尤其是淬火開裂的危險(xiǎn)。

3 結(jié)論

初步判斷，車軸發(fā)生整體疲勞失效的原因，應(yīng)與輪座和軸身交界處的圓弧過渡區(qū)加工質(zhì)量不夠理想和車軸熱處理效果不佳有關(guān)。

建議應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化車軸輪座與軸身圓弧過渡區(qū)的加工工藝，消除較深加工刀痕，同時(shí)優(yōu)化車軸熱處理工藝，獲得更理想的組織—性能匹配。