魚雷罐車車軸斷裂失效分析

金星 ，李文竹 ,2，黃磊 ,2，馬惠霞

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009）

魚雷罐車是高爐鐵水運輸?shù)闹匾O(shè)備之一，車軸作為鐵路機車車輛走行最重要的部件，幾乎承受著機車車輛的全部重量。機車車輛在運行過程中一旦發(fā)生斷軸，將引起列車脫軌、翻車等重大惡性事故。鞍鋼冶金運輸廠魚雷罐車在負載運行時發(fā)生脫軌事故，檢查發(fā)現(xiàn)機車第五架（按列車運行方向）車軸發(fā)生斷裂，斷裂位置在軸身1/3處。車軸所用材料為LZ50碳素鍛鋼，執(zhí)行標準TB/T 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》。斷裂車軸已服役15年，該運輸廠每年對其進行一次檢修。事故發(fā)生時，車輛無超載、偏載現(xiàn)象，距上一次檢修約10個月。為查明斷裂原因，借助斷口宏觀分析、化學成分分析、力學性能分析、金相顯微分析等手段，對車軸整體及斷口部位進行了相關(guān)檢驗分析。

1 理化檢驗分析

1.1 斷口宏觀分析

車軸宏觀斷口形貌如圖1所示。

圖1 車軸宏觀斷口形貌Fig.1 Macroscopic Fracture Morphology of Axle

從圖1可以看出，車軸斷口平整、細膩，斷面垂直于軸向、無明顯塑性變形，兩斷裂面可良好吻合，肉眼即可初步判斷車軸斷裂方式為疲勞斷裂［1］。整個斷口疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)邊界清晰，疲勞裂紋擴展區(qū)約占車軸斷面面積2/3，斷面已氧化呈褐色且可見貝殼狀疲勞條紋，越接近瞬斷區(qū)，疲勞條紋逐漸由密集變?yōu)橄∈?；瞬斷區(qū)斷口粗糙呈新鮮的銀灰色，所占面積較小，由于瞬斷區(qū)是最后斷裂區(qū)，因此可推斷車軸斷裂前的受載應力不大。由斷口的氧化顏色深淺及貝殼狀疲勞條紋走向可推斷裂紋源位于車軸外緣 （外緣形貌因斷裂后的機械擦傷已被破壞）［2］。同時，在裂紋源處發(fā)現(xiàn)斷軸的外表面上有灘狀異物附著。

1.2 化學成分分析

在靠近裂紋源位置截取試樣，進行化學成分分析，車軸實測化學成分見表1，各項元素符合TB/T 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標準要求，可以排除由于成分不合格而引起開裂。

表1 車軸實測化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Measured Chemical Compositions in Axle（Mass Faction） %

1.3 力學性能分析

在車軸斷裂面下，靠近裂紋源和其鏡像對稱處橫截面1/4位置分別截取兩根縱向拉伸試樣在拉伸試驗機上進行力學性能測試，車軸實測力學性能及技術(shù)要求見表2。

表2 車軸實測力學性能及技術(shù)要求Table 2 Measured Mechanical Properties and Technical Requirements of Axle

其中，屈服極限值略低于TB/T 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標準要求，其他指標符合標準要求。

1.4 顯微分析

在車軸斷口裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)等典型區(qū)域上截取試樣，經(jīng)超聲波振蕩清洗，試樣置于SUPRA 55場發(fā)射掃描電鏡下觀察，結(jié)合OXFORD能譜儀進行微區(qū)成分定量分析，掃描電鏡微觀斷口形貌見圖2。電鏡下微觀觀察，疲勞源已被嚴重損傷，疲勞裂紋擴展區(qū)靠近裂紋源側(cè)氧化嚴重，斷口疲勞輝紋清晰可見，瞬斷區(qū)檢測到河流花樣及少量撕裂韌窩，斷裂形式以解理脆性斷裂為主；整個斷口未見異常夾雜物；微觀觀察進一步證實送檢車軸為低應力高周疲勞斷裂。

圖2 掃描電鏡微觀斷口形貌Fig.2 Microscopic Fracture Morphology by Scanning Electron Microscope

通過光學顯微鏡對試樣進一步分析，斷裂車軸基體夾雜物形貌見圖3，非金屬夾雜物評級級別為：A2.5、B1.5、D1、D1e、DS2.5 級。車軸晶粒度與顯微組織形貌見圖4，鐵素體晶粒度評級為9.5級，基體顯微組織為鐵素體+珠光體，均符合TB/T 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標準要求。但附著異物的裂紋源處組織與基體存在明顯差別，異物與車軸表面結(jié)合緊密，車軸基體表面顯微組織為等軸的鐵素體+珠光體，異物組織為粗大的萊氏體，同時異物上可見較多孔洞及裂紋缺陷，與之相近的車軸邊緣組織則為珠光體+粗大網(wǎng)狀鐵素體，局部形成魏氏組織，這種異常組織層深約4 mm，起裂源位置與基體表面位置顯微組織對比情況見圖5。通過維氏硬度分析，異物、起裂源處和車軸基體三點硬度平均值分別為：588 HV、285 HV、181 HV，異物及起裂源位置維氏硬度值明顯高于基體值。

圖3 車軸基體夾雜物形貌Fig.3 Inclusion Morphology of Axle Matrix

圖4 車軸基體晶粒度與顯微組織形貌Fig.4 Matrix Grain Size and Microstructure Morphology of Axle

圖5 起裂源位置與基體位置顯微組織對比Fig.5 Comparison of Microstructures in Locations of Cracking Initiation and Matrix

結(jié)合掃描電鏡能譜成分分析，異物處的碳含量明顯高于車軸基體，并滲入到車軸內(nèi)部約4 mm。從異物成分、組織形態(tài)及維氏硬度可以判定其為濺射在車軸上的鐵水凝固物，異物與車軸交界處的成分對比見圖6，車軸基體、異物和裂紋源處碳含量對比見圖7。

圖6 異物與車軸交界處的成分對比Fig.6 Comparison of Compositions in Foreign Matter and in Junction of Axle

圖7 車軸基體、異物和裂紋源處碳含量對比Fig.7 Comparison of Carbon Content in Axle Matrix,Foreign Matter and Cracking Initiation

利用電子探針對附著異物的裂紋源處的碳、硅、錳元素濃度分布進行分析，并與車軸基體含量進行對比，結(jié)果顯示異物處的碳、硅含量明顯高于車軸，錳含量低于車軸。異物下的車軸表層形成富碳區(qū)，富碳區(qū)與車軸表面異常組織區(qū)相對應，異物與車軸交界處的微區(qū)成分分布情況見圖8。因此，從異物成分、組織形態(tài)及維氏硬度可以判定異物為濺射在車軸上的鐵水凝固物。

圖8 電子探針微區(qū)成分分析Fig.8 Composition Analysis of Microdomain by Electron Probe

2 檢驗結(jié)果分析與討論

2.1 檢驗結(jié)果分析

依據(jù)TB/T 2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標準，斷裂車軸各項元素符合要求；力學性能除屈服極限值略低于標準要求外，其它指標均符合標準要求；晶粒度及非金屬夾雜物級別符合標準要求。車軸斷裂失效前已服役15年，考慮到時效性對其力學性能的影響，可排除由于屈服極限略低引起車軸斷裂的可能性。

根據(jù)車軸斷口宏觀和微觀形貌特征可判斷其為低應力高周疲勞斷裂，起裂源位于斷軸的外表面附有鐵水凝固物處，此處鐵水凝固物與車軸表面結(jié)合緊密，但裂紋源處組織與基體存在明顯差別，車軸基體表面顯微組織為等軸的鐵素體+珠光體，起裂源處組織則為珠光體+粗大網(wǎng)狀鐵素體，局部形成魏氏組織，這種異常組織層深約4 mm，且起裂源處維氏硬度值明顯高于基體值。通過成分分析發(fā)現(xiàn)起裂源處的碳、硅含量明顯高于車軸基體，錳含量低于車軸基體，車軸表層形成富碳區(qū)，富碳區(qū)與車軸表面異常組織區(qū)相對應。

2.2 車軸疲勞裂紋萌生、擴展原因分析

魚雷罐車在運輸及轉(zhuǎn)運過程中出現(xiàn)鐵水外溢，1 500℃左右的富碳鐵水滴落在車軸表面，導致車軸外緣溫度急劇升高，鐵水中的活性碳原子會滲入車軸表面，在此區(qū)域形成高碳滲層，使表面硬度提高。同時，在900～950℃高溫區(qū)間時，外緣組織發(fā)生奧氏體相變，冷卻后形成了粗大的珠光體團+網(wǎng)狀鐵素體，局部形成魏氏組織，破壞了基體的連續(xù)性。魏氏組織是鋼的一種過熱缺陷組織，它的存在顯著降低鋼的力學性能，特別是沖擊韌性和塑性，并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度，因而鋼容易發(fā)生脆性斷裂［3］。粗大的珠光體團+網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織硬而脆，韌性差，易萌生裂紋。

魚罐車在運行中，車軸承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷，軸表層任意一單元體隨著車軸的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生拉壓交變正應力和脈動交變剪應力，由此構(gòu)成了車軸承受的疲勞載荷［4］。車軸表面一旦形成裂紋，因缺口效應車軸表面會產(chǎn)生應力集中，又促進了裂紋擴展，當車軸有效承載面積小于臨界值時就會發(fā)生瞬時斷裂。

2.3 建議

魚雷罐車主要負責給高爐輸送鐵水，而車軸是其關(guān)鍵部件。應對服役的車軸定期檢查，一旦發(fā)現(xiàn)表面有鐵水凝固物，應超聲波探傷檢查內(nèi)部是否存在裂紋，同時增加檢修頻次，防止由于車軸斷裂失效引發(fā)事故。

3 結(jié)語

通過采用拉伸試驗機、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和電子探針等試驗手段，對冶金運輸廠魚雷罐車斷軸試樣的力學性能、斷口形貌、微觀組織、夾雜物和偏析等進行檢驗分析。發(fā)現(xiàn)車軸斷裂是由于濺射的高溫鐵水附著在車軸表面，造成車軸邊緣增碳，硬度提高，形成硬而脆的粗大的珠光體團+網(wǎng)狀鐵素體、魏氏體的異常組織，破壞了基體的連續(xù)性。此處脆性組織在車輛長期交變應力的作用下萌生裂紋，最終車軸發(fā)生低應力高周疲勞斷裂。