簡析高速重載工況對車輪輪輞疲勞裂紋萌生的影響*

叢 韜，付秀琴，張 斌，張 弘，張關(guān)震，張澎湃

（中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

簡析高速重載工況對車輪輪輞疲勞裂紋萌生的影響*

叢 韜，付秀琴，張 斌，張 弘，張關(guān)震，張澎湃

（中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

研究了在重載列車和高速列車車輪實際使用工況下，輪軌接觸應(yīng)力提高后車輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力增加對輪輞疲勞裂紋萌生的影響。對普通列車、重載列車、高速列車上實際運用過程中發(fā)生輞裂的車輪進行失效分析和研究，結(jié)果表明：列車軸重增加和運行速度提高，導(dǎo)致車輪輪輞內(nèi)部萌生裂紋的“臨界夾雜物尺寸”減小，使車輪輪輞中原本處于安全尺寸范圍的脆性夾雜物越過“臨界夾雜物尺寸”成為疲勞裂紋萌生的主要發(fā)源點，最終導(dǎo)致車輪輪輞疲勞裂紋的形成。

車輪；輪輞疲勞裂紋；非金屬夾雜物

車輪是機車車輛的重要走行部件，車輪在使用過程中產(chǎn)生的輪輞疲勞裂紋（輞裂）是車輪的典型損傷類型之一，若不及時發(fā)現(xiàn)輞裂會嚴(yán)重危及機車車輛的行車安全。當(dāng)前運用的機車車輛中普遍存在輞裂的損傷情況。

隨著中國鐵路的快速發(fā)展，速度高達(dá)300 km/h的列車和30 t軸重的重載貨車陸續(xù)投入使用，輪軌間的動態(tài)相互作用力隨速度的提高呈線性規(guī)律遞增［1］，同樣輪軌接觸應(yīng)力隨著軸重的提高而增加［2-3］，另外在高速和重載運用下，車輪踏面擦傷、剝離等情況會導(dǎo)致沖擊載荷作用在輪軌間，這些因素都將引起車輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加［4-6］，因此在輪軌間動態(tài)相互作用力增大的情況下，車輪輪輞內(nèi)部夾雜物類型，尺寸大小，形態(tài)都將成為影響車輪輞裂的萌生和擴展的重要因素。

結(jié)合前期典型的車輪輞裂案例，分析重載、高速下車輪輞裂傷損特點，研究輪軌接觸應(yīng)力增加情況下，車輪輪輞中夾雜物尺寸、類型對車輪輞裂萌生的影響，并提出預(yù)防輞裂的措施。

1 試驗內(nèi)容與方法

試驗研究的失效車輪分為3種類型，普通列車速度小于120 km/h、軸重小于18 t，重載列車速度小于100 km/h，軸重25 t、高速列車速度大于250 km/h、軸重不超過17 t。以上三者裝用的均為輾鋼車輪，車輪踏面熱處理工藝均為淬火加回火處理，3件車輪的主要元素含量基本在同一水平，拉伸性能和踏面下15 mm處的硬度基本相同，如表1和表2所示。將3個車輪輞裂打開后，分別利用NEOPHOT-21型金相顯微鏡（OM），S4300冷場發(fā)射掃描電鏡和FEI-Quanta400掃描電子顯微鏡（SEM）對裂紋源區(qū)斷口截面的金相試樣上夾雜物進行觀察，采用能譜（EDS）定性分析夾雜物種類，利用NMT－3型顯微硬度計對裂紋源區(qū)附近的組織進行測定。

2 試驗結(jié)果

典型的車輪輞裂起源于輪輞內(nèi)部，當(dāng)裂紋擴展到一定的尺寸后，如圖1在輪輞外側(cè)面觀察到沿周向的裂紋，輞裂萌生于踏面下一定深度范圍存在大顆粒非金屬夾雜物的位置，內(nèi)部疲勞裂紋擴展到輪輞外側(cè)面或踏面后，裂紋的踏面一側(cè)金屬極易破碎和發(fā)展成局部大塊脫落，如圖2。疲勞裂紋擴展面與踏面呈某一角度且具有貝殼狀條紋特征，如圖3，有明顯的裂紋源，為典型的疲勞斷裂，輞裂斷口主要是穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)域，輞裂的萌生具有低應(yīng)力高周疲勞斷裂性質(zhì)。

發(fā)生輞裂傷損的車輪分別為重載列車使用的輾鋼車輪，其宏觀形貌如圖3，裂紋源位于踏面下19 mm處，普通列車使用的輾鋼車輪，如圖4，裂紋源位于踏面下14 mm處，圖中上側(cè)為踏面一側(cè)斷口（上耦合面），已在輪軌接觸應(yīng)力作用下發(fā)生破碎，高速列車使用的輾鋼車輪，裂紋源位于踏面下10 mm處，斷口形貌與圖3和圖4中斷口形貌特征一致。

在3種類型車輪裂紋源區(qū)取樣進行金相和能譜分析，如圖5和圖6，普通列車車輪的裂紋源區(qū)可觀察大顆粒的殘留宏觀鏈狀非金屬夾雜物，經(jīng)EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)該殘留夾雜物為Al2O3，該種球形夾雜物呈鏈狀分布，為脆性夾雜物，長度約為565μm。

經(jīng)過多次仔細(xì)觀察重載列車和高速列車疲勞斷口的金相磨面，在斷口區(qū)域未找到有大顆粒的殘留夾雜物，僅觀察到裂紋源處異常的金相組織和少量小顆粒的夾雜物。從圖7中可見裂紋源斷口表面有較厚的白層組織，其厚度約為130μm，白層組織的顯微硬度明顯高于基體組織，硬度高達(dá)860HV0.5，裂紋源斷口表面出現(xiàn)馬氏體白層說明疲勞裂紋在萌生和擴展后，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，輪輞內(nèi)部的斷口耦合表面相互之間反復(fù)碾磨和摩擦所形成的。圖8為裂紋源附近發(fā)現(xiàn)的夾雜物，最大直徑約為50μm，可以觀察到該夾雜物與車輪基體脫開，夾雜物尖端處破碎嚴(yán)重，這些區(qū)域均會產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時可觀察到萌生的微觀裂紋。夾雜物基體為Al2O3加CaO，基體之上形成Al2O3加Mg O的脆性復(fù)合夾雜物。在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)了大量的10～20μm左右的小尺寸脆性夾雜物，這些夾雜物形成了夾雜物團簇。尺寸較大的夾雜物產(chǎn)生微裂紋后，微裂紋或沿著這些小尺寸的脆性夾雜物迅速擴展，最終形成宏觀裂紋。

3 分析與討論

3個車輪輞裂均為典型的輪輞內(nèi)部疲勞裂紋性質(zhì)。經(jīng)典的理論認(rèn)為輞裂萌生的應(yīng)力明顯低于材料屈服強度的疲勞斷裂，應(yīng)用成熟的有限元軟件，模擬計算在輪軌間相互作用下車輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，如圖9，在輪軌接觸面下10～20 mm處輪輞內(nèi)部剪切應(yīng)力最大，當(dāng)該區(qū)域存在一定尺寸的鏈狀脆性夾雜物時，在周期性的輪軌接觸應(yīng)力和沖擊應(yīng)力作用下萌生裂紋和疲勞擴展。

研究［7］表明，車輪中夾雜物與基體之間的彈性性能和熱性能間存在差異，所以在輪軌接觸應(yīng)力作用下以及冷卻過程中將造成非均勻的應(yīng)力場。如表3，Al2O3的彈性模量大于車輪鋼的彈性模量，那么Al2O3夾雜物將比周圍基體承受更大應(yīng)力，夾雜物對裂紋的形成有直接成核的效果。Al2O3的熱脹系數(shù)小于基體的熱脹系數(shù)，在車輪鋼冷熱加工期間，在基體和夾雜物交界處產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致夾雜物與基體脫開，嚴(yán)重時在界面上導(dǎo)致微裂紋，有的夾雜物在隨后疲勞加載過程中破碎脫落，這些因素對疲勞裂紋萌生起著重要作用。而單一的小尺寸MnS夾雜物由于彈性模量小于基體，熱脹系數(shù)大于基體，在載荷作用下相對周圍基體承受較小的應(yīng)力，冷卻過程中收縮速度快于基體，與基體間應(yīng)力較小，因此單一的或復(fù)合型的脆性夾雜物或夾雜物團簇是車輪輞裂生成的主要發(fā)源點。

另外，車輪輪輞中的夾雜物尺寸存在一個臨界尺寸，當(dāng)夾雜物小于“臨界夾雜物尺寸”時，輞裂將不再從夾雜物處萌生。夾雜物臨界尺寸不僅與疲勞強度有關(guān)，而且與外加載荷有關(guān)，車輪踏面下夾雜物所在處的最大主應(yīng)力σmax＝σwi（缺陷的疲勞極限）為萌生輞裂的臨界條件。

式中dc是夾雜物臨界尺寸；Hv是基體的維氏硬度值。

由式（2）可知，隨著輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加，“臨界夾雜物尺寸”逐漸變小，增加了夾雜物區(qū)域裂紋萌生的可能性。

目前車輪生產(chǎn)廠家都在改進煉鋼工藝，旨在減少車輪中非金屬夾雜物的含量，車輪鋼的冶煉水平已經(jīng)明顯提高。盡管大顆粒球狀的Al2O3夾雜物呈鏈狀分布是車輪輞裂萌生的主要原因，但列車軸重增加、運行速度不斷提高的背景下，單純的改進冶煉和脫氧方式，追求更小的夾雜物尺寸，并不能完全避免夾雜物開裂的可能性。近年來依然有大量的輞裂失效案例，特別多發(fā)生在重載列車和高速列車用車輪上。高速重載工況都會顯著增加輪軌之間的接觸應(yīng)力，造成車輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加，一些在車輪鋼中原先認(rèn)為處于安全尺寸范圍內(nèi)的小尺寸夾雜物也會造成裂紋的萌生。

因此機車車輛運用部門在現(xiàn)有車輪生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制制約的情況下，必須依靠加強超聲波探傷，加密探傷頻次，縮短探傷周期，尤其對經(jīng)過旋修的車輪要特別關(guān)注，有效避免車輪在運行中發(fā)生因輞裂而導(dǎo)致的疲勞掉塊，確保車輪安全運用。

4 結(jié) 論

（1）通過對3件發(fā)生輞裂車輪的失效分析，證明列車軸重的增加和運行速度的提高，造成車輪內(nèi)部輞裂的“臨界夾雜物尺寸”減小，增加輪輞疲勞裂紋萌生的可能性。追求更小的夾雜物尺寸，并不能完全避免夾雜物開裂的可能性。

（2）輪軌接觸應(yīng)力增加，造成車輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力增大，車輪輪輞中存在的原處于安全尺寸范圍的單一的或復(fù)合型的脆性夾雜物成為了疲勞裂紋萌生的主要發(fā)源點。

［1］ 翟婉明.高速鐵路輪軌系統(tǒng)的最優(yōu)動力設(shè)計原則［J］.中國鐵道科學(xué)，1994，15（2）：16-21.

［2］ 卜繼玲、李 芾、付茂海，等.重載列車車輛輪軌作用研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26（5）：52-56.

［3］ 楊春雷、李 芾、黃運華，等.40 t軸重貨車輪軌動力特性分析［J］.鐵道機車車輛，2010，30（3）：1-4.

［4］ 米國發(fā)、劉彥磊、張 斌，等.夾雜物對輪輞裂紋萌生的影響［J］.鐵道學(xué)報，2010，32（4）：108-113.

［5］ 劉建新、易明輝、王開云.重載鐵路車輪踏面擦傷時的輪軌動態(tài)相互作用特征［J］.交通運輸工程學(xué)報，2010，10（3）：52-56.

［6］ 翟婉明.高速鐵路輪軌沖擊振動的特征及其控制原理［J］.鐵道學(xué)報，1995，17（3）：28-33.

［7］ 張 斌，盧觀健，付秀琴，等.鐵路車輪、輪箍失效分析及傷損圖譜［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［8］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1968，206：5959.

［9］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1969，207：474.

Effect of Fatigue Crack Initiation in Wheel Rims under Condition of Heavy Haul and High Speed

CONG Tao，F(xiàn)U Xiuqin，ZHANG Bin，ZHANG Hong，ZHANG Guanzhen，ZHANG Pengpai
（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Effect of the increase of interior stresses in wheel rim due to the increase of wheel/rail contact stresses on the fatigue crack initiation in rims has been studied for actual service conditions of heavy haul and high speed train wheels.The results obtained from the analysis of three different failure wheels which are typical fatigue crack in rims show that the critical inclusion sizes of non－metallic inclusions which cause crack initiation in wheel rims are decreased with increasing axle load and speed of trains.It is also demonstrated that the previous brittle inclusions with safety sizes have been reached the critical inclusion sizes and become the main source of fatigue crack initation in wheel rims resulting in the fatigue crack initiation.

wheel；fatigue crack in wheel rim；non-metallic inclusion

U266.3；TG141

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.06

1008－7842（2014）05－0024－04

*高鐵聯(lián)合基金重點項目（U1234207、U1334204）；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2009J015、2009J016）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2013J007-A）

?）男，助理研究員，博士研究生（

2014－03－25）