車輪斷裂原因分析

王升 李金全

摘要：通過無損探傷檢測、化學成分檢測、掃描電鏡和金相分析等方法對車輪斷裂原因進行了失效分析. 結(jié)果表明，由于車輪存在內(nèi)部氣泡缺陷，且車輪材料韌性很差，當鍛造或正火處理冷卻速度過快時，在缺陷部位形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生開裂源。

關(guān)鍵詞：車輪 失效分析 缺陷

0 引言

某鋼廠生產(chǎn)的Φ600mm車輪在運輸過程中發(fā)生開裂，該車輪材質(zhì)為65#鋼，制造工藝為鍛造—正火—機加—車輪踏面噴水淬火。為了尋找車輪開裂的原因，我們從宏觀和微觀斷口形貌、材料金相組織及成分等方面對其失效原因進行了分析。

1 宏觀檢測

開裂車輪斷口樣品宏觀形貌如圖1所示。斷裂沿車輪徑向擴展，斷裂部位無宏觀塑性變形。圖中上表面均為斷面。

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圖1

2 無損探傷檢測

用PXUT-350B+超聲波探傷儀，B4S-N 探頭對送檢樣品進行了超聲波檢測，檢測結(jié)果為：在樣品中間部位（車輪壁厚心部位置）深約45～70mm之間發(fā)現(xiàn)最大當量為Φ4 左右的單個不連續(xù)缺陷。

3 化學成分檢測

化學成分檢測結(jié)果如表1所示，符合GB/T 699-1999

標準中65#鋼的成分規(guī)定。

表1 化學成分分析結(jié)果

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4 力學性能檢測

在非缺陷區(qū)截取了拉伸和沖擊試樣，所得力學性能檢測結(jié)果如表2所示。檢測結(jié)果顯示，車輪樣品抗拉強度及延伸率符合技術(shù)條件要求；沖擊吸收功（AKU）很低，說明材料韌性很差（沖擊試驗樣品斷口邊緣無宏觀塑性變形）。踏板表面硬度平均值為36.3HRC，心部位置硬度平均值為37.7HRC，符合技術(shù)條件（HRC：33.1～41.8）要求。

表2 力學性能檢測結(jié)果與技術(shù)條件比對表

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5 斷口檢測

斷口宏觀形貌如圖2所示。用日立S-3400N 型掃描電鏡對斷裂源區(qū)微觀形貌進行了檢測，結(jié)果如圖3～7所示。宏觀小亮面位置未顯示斷面特征（見圖3～7），是鍛造變形后的氣泡缺陷表面[1]。

6 金相檢測

6.1 取樣

低倍組織檢測樣品在缺陷區(qū)域截取，金相組織檢測樣品取自硬度檢測樣品。

6.2 低倍組織檢測

低倍組織檢測結(jié)果如圖8所示，依據(jù)GB/T1979-

2001標準評定，存在內(nèi)部氣泡缺陷，與斷口微觀檢測結(jié)果吻合。

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圖8 低倍組織 ×1

6.3 金相組織檢測

金相組織檢測結(jié)果如圖所示。依據(jù)GB/T 10561-

2005標準評定，非金屬夾雜物檢測結(jié)果：A1.0e，B0.5，C0，D1.5e。表層組織細密，為細珠光體+少量鐵素體，不是淬火組織；心部組織為細珠光體+少量鐵素體[2]。

7 檢測結(jié)果分析

7.1 斷裂車輪化學成分符合技術(shù)條件規(guī)定；力學性能檢測結(jié)果中沖擊吸收功很低，說明車輪材料韌性很差。

7.2 超聲波探傷檢測發(fā)現(xiàn)送檢樣品心部位置存在當量為Φ4 左右的單個不連續(xù)缺陷。經(jīng)對該部位進行低倍組織檢測發(fā)現(xiàn)，該部位存在小裂紋狀內(nèi)部氣泡缺陷。內(nèi)部氣泡缺陷的存在割裂了基體組織，易在車輪鍛造及正火過程中，特別是熱處理殘余應(yīng)力較大時，產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)開裂[3]。

7.3 車輪金相組織踏面表層及心部組織均為細珠光體+少量鐵素體，說明車輪在鍛造或正火處理時的冷卻速度較快，導致了材料強度和脆性的增大。踏面硬度雖符合技術(shù)條件要求，但其組織不是淬火組織。

8 結(jié)論

由于車輪存在內(nèi)部氣泡缺陷，且車輪材料韌性很差，當鍛造或正火處理冷卻速度過快時（產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力），在缺陷部位形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生開裂源。當裂紋擴展超過車輪外層材料強度時，導致車輪瞬時脆性斷裂。

參考文獻：

[1]亨利G，豪斯特曼D.宏觀斷口學及顯微斷口學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990：46-59.

[2]上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術(shù)[M].上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，1987：227-237.

[3]王仁智，吳培遠.疲勞失效分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987：77.